Dalla loro scoperta nel 1895, I raggi X hanno portato a significativi progressi nella scienza, medicina e industria. Dal sondaggio di galassie lontane allo screening presso la sicurezza aeroportuale e alla facilitazione della diagnosi medica, ci hanno permesso di guardare oltre la superficie e vedere cosa c'è sotto.

Ora, una collaborazione tra l'A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) e il Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti ha proposto un versatile, sorgente di raggi X direzionale che potrebbe stare su un banco di laboratorio e si basa sull'intrigante materiale bidimensionale grafene.

I raggi X sono onde elettromagnetiche ad alta frequenza che possono essere generate utilizzando la tecnologia del tubo a raggi X o da enormi sorgenti come sincrotroni e laser a elettroni liberi lunghi un chilometro.

Ma sorgenti di tubi a raggi X, comunemente usato nella diagnostica medica, emettono radiazioni in tutte le direzioni, sprecando una quantità significativa dei raggi X generati. Inoltre non sono "sintonizzabili", il che significa che una diversa sorgente di raggi X deve essere installata in un dispositivo diagnostico per ciascuna lunghezza d'onda desiderata.

laser a elettroni liberi lunghi chilometri, d'altra parte, può produrre intensi, raggi X sintonizzabili accelerando gli elettroni liberi a energie estremamente elevate e quindi facendoli "oscillare" usando i magneti. Ma queste enormi sorgenti di raggi X esistono solo in pochi posti al mondo e sono ospitate in ambienti molto grandi, strutture costose.

Una sorgente di raggi X piccola e potente è stata molto ricercata per qualche tempo.

A tal fine, il team di ricercatori SIMTech-MIT ha impiegato il grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, quale, tra l'altro, può supportare plasmoni:raccolte di oscillazioni elettroniche che possono essere utilizzate per confinare e manipolare la luce su scale di circa dieci nanometri.

Il team ha prima sviluppato un robusto strumento di simulazione che modella l'esatta fisica degli elettroni che interagiscono con un campo plasmonico sostenuto su un foglio di grafene depositato su un pezzo di "dielettrico", o isolante, Materiale. Eseguendo simulazioni numeriche, il team ha dimostrato che questa configurazione induce un movimento "dimenso" negli elettroni sparati attraverso i plasmoni di grafene, inducendo gli elettroni a produrre radiazioni a raggi X ad alta frequenza. Le simulazioni concordavano con la teoria analitica sviluppata dal team per spiegare come interagiscono elettroni e plasmoni per produrre raggi X.

Una caratteristica distintiva di tale fonte sarà la sua "puntabilità", che aumenterà l'efficienza e quindi ridurrà i costi garantendo che tutta la radiazione generata vada dove è prevista. Ciò renderà la fonte promettente per i trattamenti medici in quanto potrebbe essere utilizzata per colpire i tumori in modo più preciso e quindi ridurre al minimo i danni agli organi e alle cellule circostanti.

Forse la cosa più interessante sarà la versatilità della fonte. La frequenza di radiazione in uscita può essere sintonizzata in tempo reale da raggi infrarossi più lunghi a raggi X più brevi modificando vari elementi della sorgente, come la velocità degli elettroni, la frequenza dei plasmoni di grafene e la conduttività del grafene.

Questo flessibile, la sorgente compatta è promettente come alternativa economica ai fasci ad alta intensità utilizzati per la ricerca scientifica e biomedica fondamentale. "Anche se c'è una lunga strada da percorrere verso la realizzazione effettiva, questa è una direzione di ricerca molto eccitante, " afferma Liang Jie Wong di SIMTech. "Sviluppare un'intensa sorgente di raggi X che può stare su un tavolo o essere tenuta in mano potrebbe potenzialmente rivoluzionare molte aree della scienza e della tecnologia".

Il team prevede di verificare sperimentalmente il loro concetto con prove di prova del principio.