פיתוח מקורות קרינה חדשים לדימות רפואי

חוקרים בטכניון פיתחו מקורות קרינה מדויקים העשויים להחליף מאיצי חלקיקים יקרים ומסורבלים המשמשים כיום ליצירת קרינה כגון קרינת רנטגן (X-ray). מקורות חדשים אלה מייצרים קרינה מבוקרת בספקטרום צר ומדויק וברזולוציה גבוהה, וזאת בהשקעה אנרגטית נמוכה יחסית. לפיכך הם צפויים להוביל לפריצות דרך יישומיות בהקשרים מגוונים – אנליזה ספקטרלית של חומרים כימיים וביולוגיים, דימות רפואי, מכשור רנטגן בבידוק ביטחוני ושימושים נוספים המצריכים מקורות אמינים של קרינה מדויקת.

ד”ר עדו קמינר

את המחקר שהתפרסם אתמול בכתב העת Nature Photonics הובילו ד”ר עדו קמינר והמסטרנט מיכאל שנציס. ד”ר קמינר הוא ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד, חבר סגל בפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי ובמכון למצב מוצק וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר.

המאמר הנוכחי מציג תצפית ניסויית ראשונה המהווה הוכחת היתכנות למודל תאורטי שפותח בעשור האחרון בשורה של מאמרים מכוננים. המאמר הראשון בנושא, שהופיע באותו כתב עת (Nature Photonics), נכתב על ידי ד”ר קמינר ב-MIT עם המנחים שלו בפוסט-דוקטורט, פרופ’ מרין סולייצ’יץ’ ופרופ’ ג’ון ג’ואנופולוס. באותו מאמר הציגו קמינר ועמיתיו קונספט תאורטי לשימוש בחומרים דו-ממדיים ליצירת קרני רנטגן. המאמר ההוא, לדברי ד”ר קמינר, סימן את “תחילתו של מסע אל מקורות קרינה המבוססים על הפיזיקה הייחודית של חומרים דו-ממדיים ושל שילובים שונים ביניהם – הטרו-מבנים. את פריצת הדרך התאורטית מאותו מאמר המשכנו לפתח מאז בשורה של מאמרים תאורטיים, וכעת אנו נרגשים לבשר על התצפית הניסויית הראשונה ביצירת קרינת רנטגן בהתקנים כאלה, תוך שליטה מדויקת בפרמטרים של הקרינה.”

חומרים דו-ממדיים הם מבנים מלאכותיים ייחודיים שפרצו לתודעה בסביבות שנת 2004 עם פיתוח הגרפן על ידי הפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב – לימים חתני פרס נובל בפיזיקה לשנת 2010. גרפן הוא משטח מלאכותי של אטומי פחמן, כלומר מבנה בעובי אטום בודד, שאינו קיים בטבע. את מבני הגרפן הראשונים יצרו שני הנובליסטים על ידי קילוף של שכבות חומר דקות מגרפיט, “החומר הכותב” שבעיפרון, באמצעות נייר דבק. השניים, וחוקרים שבאו בעקבותיהם, גילו כי לגרפן תכונות ייחודיות ומפתיעות השונות מתכונות הגרפיט התלת-ממדי: חוזק (הגרפן חזק עשרות מונים מיריעת פלדה בעובי דומה), שקיפות כמעט מוחלטת, מוליכות חשמלית ויכולת הולכת אור שמאפשרת פליטת קרינה – היבט מרכזי במאמר הנוכחי. תכונות ייחודיות אלה הופכות את הגרפן, וחומרים דו-ממדיים אחרים, לשחקנים מבטיחים בדורות הבאים של חיישנים כימיים וביולוגיים, תאים סולריים, מוליכים-למחצה, מסכים ועוד.

המצאת הגרפן פתחה שדה מחקר חדש המתמקד בחומרים דו-ממדיים שונים ובהם חומרי ון דר ואלס (vdW materials) שעמדו במוקד המחקר הנוכחי של ד”ר קמינר. חומרים אלה קרויים על שמו של יוהנס דידריק ון דר ואלס, שזכה בפרס נובל בפיזיקה בדיוק מאה שנה קודם, בשנת 1910.

ד”ר קמינר ומיכאל שנציס יצרו חומרי vdW שונים ושיגרו דרכם אלומות אלקטרונים בזוויות ספציפיות, שהובילו לפליטה מבוקרת ומדויקת של קרינת רנטגן. כך הושגה תצפית ניסויית ראשונה בקרינת רנטגן הנפלטת מחומרי vdW. יתר על כן, החוקרים הדגימו כוונון מדויק (tunability) של ספקטרום הקרינה ברזולוציה חסרת תקדים, וזאת בהשקעה מזערית של אנרגיה ותוך ניצול הגמישות בתכנון משפחות של חומרי vdW.

לסיכום, המאמר החדש של קבוצת המחקר של ד”ר קמינר מכיל תוצאות ניסוייות, תאוריה חדשה והוכחת היתכנות ליישום חדשני של חומרים דו-ממדיים כמערכות המפיקות קרינה מבוקרת ומדויקת. לדברי ד”ר קמינר, “הניסוי שערכנו, והתיאוריה שפיתחנו כדי להסבירו, מביאים תרומה משמעותית למחקר הפיזיקלי של אינטראקציית אור-חומר וסוללים דרך ליישומים רבים ומגוונים בדימות בקרני רנטגן, בספקטרוסקופיית קרני רנטגן המשמשת לאפיון חומרים ועוד, ובעתיד תאפשר ליצור מקורות אור קוונטיים בתחום הרנטגן.”

במחקר הנוכחי, שנערך כאמור בשיתוף בין יחידות שונות בטכניון, השתתפו חוקרים מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ומהמוסדות הבאים: The Barcelona Institute of Science and Technology, מכון ICREA בברצלונה, Arizona State University, Technical University of Denmark ו-Nanyang Technological University בסינגפור.

מיכאל שנציס

כל ניסויי הוכחת ההיתכנות נערכו במיקרוסקופי האלקטרונים שבמרכז המיקרוסקופיה מיק”א בפקולטה למדע והנדסה של חומרים.

במחקר תמכו גם האיחוד האירופי (מענק ERC ומענקי H2020), קרן המדע הלאומית בישראל (ISF) וקרן עזריאלי.

למאמר ב- Nature Photonics לחצו כאן