【前沿】麻省理工发现石墨烯有望使便携的X射线源成为现实

X光片

自从1895年被发现以来，X射线引导了无数科学、医学和工业领域的技术进步。从探测遥远的宇宙星系到机场安全检查和便利的医学诊断，X射线使我们可以超越了物质表面洞察其内部。

当我们用高能电子轰击金属，电子在打进金属的过程中急剧减速，有加速的带电粒子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏特，这样就可以产生X射线，这是目前实验室和工厂、医院等地普遍使用的产生X射线的方法。

但是，广泛用于医学诊断的X射线管会在各个方向发射辐射，浪费了大量的X射线。 同时，它们发生的X射线也是“不可调谐的”，这意味着在每个所需波长的诊断设备中必须安装不同的X射线源。

另一方面，千米长的自由电子激光器可以通过将自由电子加速到极高的能量，然后使其使用磁铁“摆动”来产生强烈的可调X射线。 但是，这些巨大的X射线源仅存在于世界上几个地方，并且体积巨大、需要昂贵的维护设备。

因此，体积小、便携式的大功率的X射线源非常紧缺。

为此，SIMTech-MIT的联合研究团队采用了只有单个碳原子厚度的材料石墨烯，其中除了其他以外，还可以支持等离子体：可用于限制和操纵约10纳米尺度的光的电子振荡集合。

该团队首先开发了一个强大的仿真工具，用于模拟电子和沉积在一块“电介质”或绝缘材料上的石墨烯片之间维持的等离子体场的相互作用。 通过进行数值模拟，该团队表明，通过设置在石墨烯等离子体激发的电子中引起“摆动”运动，将导致电子产生高频X射线辐射。 模拟结果与团队开发的理论分析一致，解释了电子和等离子体之间如何相互作用产生X射线。

这项研究最重要的一个特点是X射线源发出的X射线“可定向”，这将大大提高工作效率，可以确保产生的所有的射线到达一个目标位置，避免散射，从而降低成本。 该X射线源有望用于精准医疗，因为它可以更精确地靶向肿瘤，从而最大程度的避免对周围器官和细胞的损伤。

也许最有吸引力的是射线源的多功能性，通过修改射线源的各种参数，例如电子的速度、石墨烯等离子体的频率和石墨烯的导电性等，可以实时地调节从较长的红外线到较短的X射线范围内调节输出辐射的频率。

这种灵活，紧凑的射线源作为用于基础科学和生物医学研究的高强度光束的替代品是非常有前途的，来自SIMTech的梁洁杰说，“虽然实际实现还有很长的路要走，但这是非常令人兴奋的研究方向。“开发出可以放在桌子上或放在手中的强力X射线源可能会彻底改变许多科学和技术领域。”该团队接下来计划通过试验来验证概念。