Các nhà khoa học đã đạt được bước đột phá trong việc cải thiện đáng kể độ sắc nét của hình ảnh tia X và có khả năng tăng tốc độ xử lý chụp ảnh tia X. Điều này đặt nền tảng cho chẩn đoán hình ảnh y tế tốt hơn và đảm bảo an toàn hơn. Chìa khóa của sự tiến bộ này là lớp vàng được thêm vào các thiết bị hiển thị tia X. Tia X được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh và kiểm tra an ninh là nhìn thấy được, nhưng có thể xác định được bằng đầu dò có vật liệu “nhấp nháy” hấp thụ bức xạ và “phát quang” tương tự như sơn phát sáng trong bóng tối.
Ánh sáng nhìn thấy được phát ra từ các vật liệu nhấp nháy được các cảm biến thu lại để tạo ra hình ảnh tia X. Ánh sáng càng sáng thì hình ảnh càng sắc nét và chi tiết hơn. Các nhà nghiên cứu, Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) và Mạng nghiên cứu Lukasiewicz-Trung tâm Phát triển Công nghệ Ba Lan PORT của Ba Lan đã phát hiện ra rằng việc thêm một lớp vàng vào các vật liệu nhấp nháy sẽ làm cho ánh sáng khả kiến phát ra sáng hơn 120%. Dữ liệu từ nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Advanced Materials cho thấy trung bình ánh sáng phát ra có cường độ khoảng 88 photon trên mỗi kiloelectronvolt. Kết quả là, hình ảnh tia X được tạo ra sắc nét hơn 38% và khả năng phân biệt giữa các phần khác nhau của hình ảnh được cải thiện 182%. Với lớp vàng, thời gian các vật liệu nhấp nháy ngừng phát ra ánh sáng sau khi hấp thụ tia X cũng được rút ngắn trung bình 1,3 nano giây, tương đương gần 38%, nghĩa là chúng sẵn sàng cho đợt bức xạ tiếp theo nhanh hơn. Điều này cho thấy tiềm năng vàng sẽ tăng tốc quá trình xử lý chụp ảnh tia X.
Kiểm tra mẫu làm từ perovskite và vàng được đặt chính xác cho các thí nghiệm độ phát quang của mẫu (Nguồn: NTU Singapore)
Sự tăng cường độ sắc nét trên có thể được giải thích vì vàng có tính chất “plasmonic”, nghĩa là các electron trong kim loại phản ứng với bức xạ bằng cách di chuyển theo các mô hình giống như sóng đồng bộ, giống như những gợn sóng hình thành sau khi một viên sỏi rơi xuống nước. Những electron gợn sóng này, còn được gọi là plasmon, có thể tương tác với các vật liệu nhấp nháy để tăng tốc độ phát xạ ánh sáng khả kiến của vật liệu sau khi chúng phản ứng với tia X. Điều này làm cho ánh sáng phát ra trở nên mãnh liệt hơn. Trái ngược với các vật liệu không phải plasmonic, trong đó các electron của chúng không tương tác với bức xạ theo cách tương tự. Kết quả là, chúng không chuyển động theo kiểu phối hợp giống như sóng và không tăng tốc độ phát xạ ánh sáng khả kiến bằng các vật liệu nhấp nháy. Để nghiên cứu, các thí nghiệm đã sử dụng vàng chỉ dày 70 nanomet, mỏng hơn khoảng 1.000 lần so với một sợi tóc. Sử dụng một lớp vàng mỏng giúp giảm chi phí vật liệu và giữ kích thước của máy dò tia X trong tương lai nhỏ gọn hơn.
Thiết lập hệ phát hiện ánh sáng 1/1A được sử dụng trong các thí nghiệm do các nhà nghiên cứu từ NTU Singapore thực hiện nhằm xác định hiệu quả của các mẫu làm từ perovskite và vàng (Nguồn: NTU Singapore)
Các nhà nghiên cứu đã thêm lớp vàng plasmonic vào một vật liệu nhấp nháy gọi là chì butylammonium bromide, thuộc họ hợp chất “perovskite”. Perovskites được biết đến với khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng trong pin mặt trời. Nghiên cứu “nanoplasmonic” này được thực hiện với sự cộng tác giữa Liên minh nghiên cứu CNRS-International-NTU-Thales, phòng thí nghiệm nghiên cứu chung giữa Pháp và Singapore có trụ sở tại NTU; Institut Lumière Matière CNRS có trụ sở tại Đại học Claude Bernard Lyon 1 ở Pháp và Trung tâm Nano Indonesia. Kết quả này nêu bật tiềm năng to lớn của nanoplasmonics trong việc tối ưu hóa các hệ thống hình ảnh cực nhanh, nơi cần độ phân giải không gian cao và độ tương phản cao, chẳng hạn như như hình ảnh tia X và kính hiển vi.”.
Những cải tiến trong khả năng phát hiện bằng tia X được nghiên cứu chứng minh cũng mang lại lợi ích cho việc kiểm tra an ninh sân bay, vì các vật dụng trong hành lý có thể dễ dàng được phát hiện hơn với hình ảnh tia X sắc nét hơn và chất lượng cao hơn, hành lý có thể được sàng lọc nhanh hơn. Việc kết hợp cải tiến này với các công nghệ khác sẽ mang lại những chức năng tiên tiến nhất trong hình ảnh bức xạ, chẳng hạn như tăng cường phân tích tia X thực hiện bằng màu sắc hoặc cải thiện độ chính xác của hình ảnh tia X trong y tế. Ý tưởng kết hợp các hiện tượng vật lý của cấu trúc quang tử, cấu trúc làm thay đổi cách ánh sáng biến đổi, với vật liệu nhấp nháy dành cho máy dò tia X là khái niệm mới nhằm tăng hiệu quả của thế hệ máy dò hiện tại.
Cảm hứng sử dụng vàng làm vật liệu plasmonic cùng với vật liệu nhấp nháy nảy sinh từ sự kết hợp của hai lĩnh vực nghiên cứu chưa được khám phá trước đây đối với máy dò tia X. Các thành viên của nhóm nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng sau khi một số chất hấp thụ ánh sáng khả kiến, chúng cũng phát ra ánh sáng khả kiến, ánh sáng này có thể sáng hơn nếu thêm vàng plasmonic mỏng ở quy mô nanomet vào. Vào thời điểm đó, các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu về cấu trúc có kích thước nano tăng cường khả năng tạo ra tia X cũng đang nghiên cứu phát hiện tia X. Nhìn vào các phát hiện về nanoplasmonic, nhóm đã nảy ra một ý tưởng: Vì khả năng phát hiện tia X trong máy quét tia X phụ thuộc vào các chất hấp thụ bức xạ để phát ra ánh sáng khả kiến, các vật liệu plasmonic có kích thước nano có thể tăng cường khả năng phát hiện của các máy quét này.
Các nhà nghiên cứu đang có kế hoạch bổ sung các mẫu giống như vết khía có kích thước nano lên bề mặt của lớp vàng để tăng cường ánh sáng khả kiến phát ra từ vật liệu nhấp nháy hấp thụ tia X, vì nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng các vết khía nhỏ có thể tăng cường khả năng tạo ra ánh sáng khả kiến. Những phát hiện này “mở ra một con đường mới cho việc cải tiến các máy dò hình ảnh bức xạ dựa trên máy phát sáng nhấp nháy”. Đầu dò nhấp nháy chuyển đổi các photon tia X hoặc tia gamma thành tín hiệu ánh sáng có thể đo được cho các ứng dụng như chụp ảnh y tế trong chụp cắt lớp vi tính (CT), thử nghiệm không phá hủy để đảm bảo chất lượng trong sản xuất công nghiệp và kiểm tra an ninh hành lý sân bay.
Từ khóa: tia X; độ phân giải; chụp ảnh bức xạ;
– CMD&DND –
