Questa fotografia mostra due elementi MEMS su un singolo chip, con gli elementi attivi di 250 μm × 250 μm. Una micrografia (riquadro in alto) della dimensione effettiva dell'elemento diffrattivo, rispetto a una sezione di capelli umani (riquadro inferiore). Credito:Jin Wang
I ricercatori hanno sviluppato nuove ottiche a raggi X che possono essere utilizzate per sfruttare impulsi estremamente veloci in un pacchetto significativamente più piccolo e leggero dei dispositivi convenzionali utilizzati per modulare i raggi X. Le nuove ottiche si basano su dispositivi microscopici basati su chip noti come sistemi microelettromeccanici (MEMS).
"La nostra nuova ottica ultraveloce su chip è pronta a consentire la ricerca e le applicazioni dei raggi X che potrebbero avere un ampio impatto sulla comprensione delle sostanze chimiche in rapida evoluzione, processi materiali e biologici, ", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Jin Wang dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Questo potrebbe aiutare nello sviluppo di celle e batterie solari più efficienti, materiali e dispositivi di archiviazione avanzati per computer, e farmaci più efficaci per combattere le malattie”.
Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori hanno dimostrato il loro nuovo dispositivo a raggi X optics-on-a-chip, che misura circa 250 micrometri e pesa solo 3 microgrammi, utilizzando la sorgente di raggi X al sincrotrone Advanced Photon Source di Argonne. Il minuscolo dispositivo ha eseguito 100 a 1, 000 volte più veloce dell'ottica a raggi X convenzionale, che tendono ad essere ingombranti.
"Anche se abbiamo dimostrato il dispositivo in un grande impianto di sincrotrone a raggi X, quando completamente sviluppato, potrebbe essere utilizzato con generatori di raggi X convenzionali trovati in laboratori scientifici o ospedali, "Ha detto Wang. "La stessa tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per sviluppare altri dispositivi come sistemi di somministrazione di dosaggio preciso per la radioterapia o scanner a raggi X veloci per la diagnostica non distruttiva".
Catturare processi veloci
I raggi X possono essere utilizzati per catturare processi molto veloci come le reazioni chimiche o le dinamiche in rapida evoluzione delle molecole biologiche. Però, ciò richiede una fotocamera estremamente veloce con una velocità dell'otturatore elevata. Poiché molti materiali opachi alla luce sono trasparenti ai raggi X, può essere difficile migliorare la velocità degli otturatori efficaci per i raggi X.
Il nuovo dispositivo MEMS a raggi X viene utilizzato all'interno di questo recinto per esperimenti presso l'Advanced Photon Source. Viene mostrato il diffrattometro a 6 cerchi che manipola l'ottica MEMS in una camera a vuoto. Credito:Jin Wang
Per risolvere questa sfida, il gruppo di ricerca, composto da scienziati dell'Advanced Photon Source e del Center for Nanoscale Materials di Argonne, rivolto a dispositivi basati su MEMS. "Oltre ad essere utilizzato in molti dei dispositivi elettronici che usiamo quotidianamente, I MEMS sono anche usati per manipolare la luce per comunicazioni ad alta velocità, " ha detto Wang. "Volevamo scoprire se i dispositivi fotonici basati su MEMS possono svolgere funzioni simili per i raggi X come fanno con la luce visibile o infrarossa".
Nel nuovo lavoro, i ricercatori mostrano che le dimensioni e il peso estremamente ridotti del loro otturatore basato su MEMS gli consentono di oscillare a velocità equivalenti a circa un milione di giri al minuto (rpm). I ricercatori hanno sfruttato questa alta velocità e la proprietà diffrattiva dei raggi X del materiale MEMS per creare un otturatore a raggi X estremamente veloce.
Aumento della velocità dell'otturatore
Usando la loro nuova ottica su chip con raggi X prodotti dall'Advanced Photon Source, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbe fornire una velocità dell'otturatore stabile fino a un nanosecondo con un contrasto on/off estremamente elevato. Questo potrebbe essere usato per estrarre singoli impulsi di raggi X dalla sorgente, anche se gli impulsi fossero distanti solo 2,8 nanosecondi l'uno dall'altro.
"Dimostriamo che la nostra nuova tecnologia basata su chip può svolgere funzioni non possibili con le ottiche di grandi dimensioni convenzionali, " ha detto Wang. "Questo può essere usato per creare sonde ultraveloci per studiare processi veloci in nuovi materiali".
I ricercatori stanno ora lavorando per rendere i dispositivi più versatili e robusti in modo che possano essere utilizzati continuamente per lunghi periodi di tempo. Stanno anche integrando i sistemi periferici utilizzati con i minuscoli dispositivi MEMS basati su chip in uno strumento autonomo dispiegabile.
