Les scientifiques ont réalisé une avancée majeure en améliorant considérablement la netteté de l’imagerie par rayons X et en augmentant potentiellement la vitesse à laquelle les analyses par rayons X peuvent être traitées. Cela jette les bases d’une meilleure imagerie médicale et d’une habilitation de sécurité plus rapide.
La clé de cette avancée réside dans l’ajout d’une couche d’or aux appareils permettant de visualiser les rayons X.
Les rayons X utilisés dans les analyses de santé et de sécurité sont invisibles, mais ils peuvent être visualisés à l’aide de détecteurs dotés de matériaux « scintillants » qui absorbent le rayonnement et « s’allument » d’une manière similaire à une peinture qui brille dans le noir. La lumière visible émise par les matériaux scintillants est captée par des capteurs pour créer des images basées sur les rayons X. Plus la lumière est brillante, plus les visuels sont nets et détaillés.
Les chercheurs, codirigés par l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) et le Réseau de recherche Lukasiewicz-PORT Centre polonais pour le développement technologique, ont découvert que l’ajout d’une couche d’or aux matériaux scintillants rendait la lumière visible qu’ils émettaient 120 % plus lumineuse. En moyenne, la lumière émise avait une intensité d’environ 88 photons par kiloélectronvolt, selon les données de l’étude publiée dans Matériaux avancés montré.
En conséquence, les images radiographiques produites étaient, en général, 38 % plus nettes et la capacité de distinguer les différentes parties des images a été améliorée de 182 %.
Avec la couche d’or, le temps nécessaire aux matériaux scintillants pour cesser d’émettre de la lumière après avoir absorbé les rayons X a également été raccourci de 1,3 nanoseconde en moyenne, soit près de 38 %, ce qui signifie qu’ils étaient prêts plus rapidement pour le prochain cycle de rayonnement. Cela suggère que l’or pourrait potentiellement accélérer le traitement des examens aux rayons X.
Des électrons ondulants
Ces augmentations peuvent s’expliquer par le fait que l’or est « plasmonique », ce qui signifie que les électrons du métal réagissent au rayonnement en se déplaçant selon des motifs ondulatoires synchronisés, semblables aux ondulations qui se forment après qu’un caillou tombe dans l’eau.
Ces électrons ondulants, également appelés plasmons, peuvent interagir avec des matériaux scintillants pour accélérer l’émission de lumière visible par les matériaux après leur réaction avec les rayons X. La lumière émise devient alors plus intense.
Cela contraste avec les matériaux non plasmoniques, dont les électrons n’interagissent pas de la même manière avec le rayonnement. En conséquence, ils ne se déplacent pas de manière ondulatoire coordonnée et n’accélèrent pas l’émission de lumière visible par les matériaux scintillants.
Pour la recherche, les expériences ont utilisé de l’or d’à peine 70 nanomètres d’épaisseur, soit environ 1 000 fois plus fin qu’une mèche de cheveux. L’utilisation d’une fine couche d’or permet de réduire les coûts des matériaux et de conserver une taille compacte des futurs détecteurs de rayons X.
Les chercheurs ont ajouté la couche d’or plasmonique à un matériau scintillant appelé bromure de plomb butylammonium, de la famille des composés « pérovskites ». Les pérovskites sont connues pour leur capacité à convertir la lumière du soleil en électricité dans les cellules solaires.
Cette étude « nanoplasmonique » a été menée en collaboration entre l’Alliance de Recherche CNRS-International-NTU-Thales, laboratoire commun de recherche franco-singapourien basé à NTU ; Institut Lumière Matière CNRS basé à l’Université Claude Bernard Lyon 1 en France ; et Nano Center Indonésie.
Le professeur adjoint Wong Liang Jie de Nanyang, co-responsable de l’étude de l’École d’ingénierie électrique et électronique de NTU Singapour, a déclaré : « Nos résultats mettent en évidence l’énorme potentiel de la nanoplasmonique dans l’optimisation des systèmes d’imagerie ultra-rapides où une résolution spatiale et un contraste élevés sont nécessaires, tels que comme la bioimagerie aux rayons X et la microscopie.
Le professeur adjoint Wong a déclaré que les améliorations de la détection des rayons X démontrées par l’étude devraient également bénéficier aux contrôles de sécurité des aéroports, car les objets contenus dans les bagages pourraient être plus facilement détectés avec des images radiographiques plus nettes et de meilleure qualité, tandis que les sacs pourraient être contrôlés davantage. rapidement.
Le Dr Muhammad Danang Birowosuto, co-responsable de l’étude du Centre polonais de développement technologique du réseau de recherche Lukasiewicz-PORT et ancien chercheur du NTU, a déclaré : « La combinaison de cette amélioration avec d’autres technologies se traduira par des fonctionnalités de pointe en matière de rayonnement. l’imagerie médicale, par exemple pour améliorer l’analyse aux rayons X effectuée en couleur ou améliorer la précision de l’imagerie médicale aux rayons X en « temps de vol ».
Un porte-parole de la multinationale Thales a déclaré que « l’idée de combiner les phénomènes physiques des structures photoniques – des structures qui modifient le comportement de la lumière – avec des matériaux scintillants pour les détecteurs de rayons X représente un concept intéressant pour augmenter l’efficacité de la génération actuelle de détecteurs. «
« Thales continue de suivre avec beaucoup d’intérêt les avancées scientifiques dans ce domaine et salue les avancées du professeur adjoint Wong dans ce domaine », a ajouté le porte-parole.
opportunité en or
L’idée d’utiliser l’or comme matériau plasmonique avec des matériaux scintillants est née du mariage de deux domaines de recherche qui n’avaient pas encore été explorés pour les détecteurs de rayons X.
Les membres de l’équipe de recherche ont précédemment découvert qu’une fois que certaines substances absorbaient la lumière visible, elles émettaient également de la lumière visible, qui pourrait devenir plus brillante si de l’or plasmonique mince à l’échelle nanométrique était ajouté.
À l’époque, d’autres membres de l’équipe, qui étudiaient comment les structures nanométriques améliorent la génération de rayons X, travaillaient également sur la détection des rayons X.
En regardant les découvertes nanoplasmoniques, une idée a frappé l’équipe : puisque la détection des rayons X dans les scanners à rayons X dépend également de substances absorbant les rayonnements pour émettre de la lumière visible, les matériaux plasmoniques à l’échelle nanométrique pourraient-ils augmenter les détecteurs de ces scanners ?
Les scientifiques ont ensuite entrepris de le prouver expérimentalement avec de l’or.
Les chercheurs prévoient ensuite d’ajouter des motifs en forme d’encoches de taille nanométrique à la surface de la couche d’or pour augmenter la lumière visible émise par les matériaux scintillants absorbant les rayons X, car des recherches antérieures ont montré que de minuscules encoches peuvent améliorer la production de lumière visible.
Le Dr Dennis Schaart, chef de la section de physique et technologie médicales du département de science et technologie des rayonnements de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, a déclaré que les résultats « ouvrent une nouvelle voie pour l’amélioration des détecteurs d’imagerie par rayonnement basés sur des scintillateurs ».
Les scintillateurs convertissent les photons de rayons X ou gamma en signaux lumineux mesurables pour des applications telles que l’imagerie médicale dans la tomodensitométrie (CT), les tests non destructifs comme ceux pour l’assurance qualité dans la production industrielle et les autorisations de sécurité à l’aide de scanners de bagages dans les aéroports.
Le Dr Schaart, qui recherche de nouvelles technologies pour l’imagerie médicale et la radio-oncologie et n’a pas participé à l’étude, a déclaré que les limites de performance des mécanismes de scintillation communément connus sont sur le point d’être atteintes. Mais il existe une demande persistante pour des solutions encore meilleures.
« Les résultats présentés dans cette dernière recherche ouvrent la voie à une nouvelle classe de détecteurs à scintillation dans lesquels l’intensité et la vitesse d’émission de la lumière sont améliorées grâce à la manipulation de phénomènes de mécanique quantique », a-t-il déclaré.
« En principe, cela offre des perspectives très intéressantes aux développeurs de scintillateurs pour concevoir des matériaux optimaux pour une grande variété d’applications. Si les résultats présentés dans la recherche peuvent être reproduits et appliqués à des scintillateurs produits industriellement, cela contribuera probablement, par exemple, à davantage de scintillateurs. un diagnostic médical plus précis, plus abordable et plus accessible, ainsi que des analyses de sécurité plus rapides.
Plus d’information:
Wenzheng Ye et al, L’effet Purcell nanoplasmonique dans les scintillateurs pérovskites ultrarapides et à haut rendement lumineux, Matériaux avancés (2024). DOI : 10.1002/adma.202309410