Sicurezza nazionale:la frase risuona come un tamburo in questi giorni.

Solo un esempio:nel suo Budget-in-Brief 2017, il Dipartimento della sicurezza interna degli Stati Uniti elenca tra le sue priorità lo stanziamento di 103,9 milioni di dollari per apparecchiature di rilevamento radiologico e nucleare "per mantenere i porti di ingresso degli Stati Uniti sicuri e protetti rilevando e interdicendo materiali radioattivi o nucleari illeciti".

Un team guidato da Swastik Kar e Yung Joon Jung della Northeastern ha sviluppato una tecnologia che potrebbe fare molto per raggiungere questo obiettivo. "Il nostro rilevatore potrebbe cambiare drasticamente il modo e l'accuratezza con cui siamo in grado di rilevare le minacce nucleari in patria o all'estero, "dice Kar, professore associato presso il Dipartimento di Fisica.

Potrebbe anche aiutare a semplificare la radiomedicina, comprese le radioterapia e la diagnostica per scansione, aumentare l'efficacia dei veicoli senza equipaggio per il monitoraggio delle radiazioni nella mappatura e nel monitoraggio delle aree contaminate a seguito di disastri, e rivoluzionare l'imaging radiometrico nell'esplorazione dello spazio.

Realizzato in grafene e nanotubi di carbonio, il rivelatore dei ricercatori supera di gran lunga quello esistente nella sua ultrasensibilità alle particelle cariche, dimensioni minuscole, requisiti di bassa potenza, e basso costo.

Consentire sicurezza e protezione

tutte le radiazioni, Certo, non è dannoso, e anche il tipo che può essere dipende dal dosaggio e dalla durata dell'esposizione. La parola "radiazione" si riferisce semplicemente all'emissione e alla propagazione di energia sotto forma di onde o particelle. Ha molte fonti, compreso il sole, dispositivi elettronici come microonde e cellulari, luce visibile, raggi X, onde gamma, onde cosmiche, e fissione nucleare, che è ciò che produce energia nei reattori nucleari.

La maggior parte delle radiazioni nocive sono "radiazioni ionizzanti":hanno energia sufficiente per rimuovere gli elettroni dalle orbite degli atomi circostanti, facendoli caricare, o "ionizzato".

Sono quelle particelle cariche, o ioni, che i rivelatori raccolgono e quantificano, rivelando l'intensità della radiazione. La maggior parte dei rilevatori attuali, però, non sono solo ingombranti, bisognoso di energia, e costoso, inoltre non possono raccogliere livelli molto bassi di ioni. Il rilevatore di Kar e Yung Joon, d'altra parte, è così sensibile che può raccogliere solo una singola particella carica.

"I nostri rilevatori sono molti ordini di grandezza più sensibili in termini di quanto piccolo un segnale possono rilevare, "dice Yung Joon, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale. "Il nostro può rilevare uno ione, il limite fondamentale. Se riesci a rilevare un singolo ione, quindi puoi rilevare tutto ciò che è più grande di quello."

Considera una guardia di frontiera alla dogana degli Stati Uniti, dice Kar. Lui o lei sta usando un contatore Geiger per cercare materiale nucleare nel carico di una nave. Tale materiale potrebbe essere nascosto all'interno di un contenitore di piombo, rendendo i livelli di radiazione che fuoriescono troppo bassi per essere rilevati dal contatore Geiger, o la guardia potrebbe essere a 100 metri dalla fonte, permettendo all'intensità della radiazione di dissiparsi prima che raggiunga il rivelatore. "Ciò significa che la guardia non solo non riesce a rilevare la perdita, ma è anche esposta a radiazioni a livelli sconosciuti, " dice Kar. "Utilizzando la nostra tecnologia, la guardia potrebbe rilevare fonti nascoste da una distanza di sicurezza, o anche con un drone."

Svolta interdisciplinare

Il rivelatore ultrasensibile sviluppato da una partnership interdisciplinare unica tra Kar e Yung Joon, che collaborano da più di 10 anni. "Non avremmo fatto questa scoperta senza il contributo di ciascuno di noi, "dice Yung Joon.

L'esperienza di Yung Joon è nella nanoproduzione di carbonio. Lavora con il grafene, un reticolo infinitamente sottile più forte dell'acciaio di atomi di carbonio strettamente impacchettati, e nanotubi di carbonio, fogli di grafene arrotolati in tubi cavi con pareti spesse solo un atomo.

Kar è specializzato nella fisica alla base dei nanotubi di carbonio e di altri materiali, comprese le proprietà quantomeccaniche che descrivono la loro conduttanza elettrica.

"Quando una particella carica si trova sulla superficie di un materiale, il materiale subisce un piccolo cambiamento nelle sue proprietà elettriche, " dice Kar. Su un materiale ingombrante, la particella colpisce la superficie ma il resto del materiale rimane invariato. Sui nanotubi di carbonio, che sono essenzialmente solo materiali di superficie a causa delle loro pareti eccezionalmente sottili, la particella modifica significativamente la conduttanza elettrica totale del materiale. "Quindi l'effetto della particella diventa molto più misurabile, "dice Kar.

Ji Hao, PhD'17, uno studente di ingegneria meccanica nel laboratorio di Yung Joon, scoprì accidentalmente la sensibilità dei nanotubi di carbonio alle particelle cariche durante il test dei nanotubi all'interno di un vacuometro. Era perplesso dai cambiamenti nella resistenza elettrica dei nanotubi quando accendeva e spegneva l'indicatore. "Pensava di avere un circuito disfunzionale che stava dando origine ai cambiamenti, " dice Kar. "All'epoca non sapeva che la piccola quantità di ioni rilasciati dal misuratore potesse influenzare in modo misurabile le proprietà elettriche dei nanotubi di carbonio. Credici o no, inizialmente ha cercato molto duramente di sbarazzarsi dei cambiamenti."

Avendo sviluppato la tecnologia del rivelatore, la coppia è ora concentrata sulla costruzione di rivelatori prototipo per i vari tipi di radiazioni rilevanti per particolari discipline, compresi i raggi X e le particelle beta. Nel processo, stanno esplorando la commercializzazione della loro invenzione con un premio della National Science Foundation. "Questo ci consentirà di identificare potenziali clienti per qualsiasi prodotto che possiamo costruire, "dice Kar.

Aggiunge Yung Joon:"Il nostro obiettivo è imparare che tipo di misurazioni ha bisogno ogni specifica arena".