Esta fotografía muestra dos elementos MEMS en un solo chip, con los elementos activos de 250 μm × 250 μm. Una micrografía (inserción superior) del tamaño real del elemento difractivo, en comparación con una sección de cabello humano (inserción inferior). Crédito:Jin Wang
Los investigadores han desarrollado una nueva óptica de rayos X que se puede usar para aprovechar pulsos extremadamente rápidos en un paquete que es significativamente más pequeño y liviano que los dispositivos convencionales que se usan para modular los rayos X. La nueva óptica se basa en dispositivos microscópicos basados en chips conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS).
"Nuestra nueva óptica ultrarrápida en un chip está preparada para permitir la investigación y las aplicaciones de rayos X que podrían tener un gran impacto en la comprensión de los productos químicos de rápida evolución, procesos materiales y biológicos, ", dijo el líder del equipo de investigación Jin Wang del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU." Esto podría ayudar en el desarrollo de baterías y células solares más eficientes, materiales y dispositivos avanzados de almacenamiento informático, y medicamentos más eficaces para combatir enfermedades ".
En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , los investigadores demostraron su nuevo dispositivo óptico de rayos X en un chip, que mide alrededor de 250 micrómetros y pesa solo 3 microgramos, utilizando la fuente de rayos X en el sincrotrón Advanced Photon Source de Argonne. El diminuto dispositivo realizó 100 a 1, 000 veces más rápido que la óptica de rayos X convencional, que tienden a ser voluminosos.
"Aunque demostramos el dispositivo en una gran instalación de sincrotrón de rayos X, cuando está completamente desarrollado, podría usarse con generadores de rayos X convencionales que se encuentran en laboratorios científicos u hospitales, ", dijo Wang." La misma tecnología también podría usarse para desarrollar otros dispositivos, como sistemas de administración de dosis precisas para radioterapia o escáneres rápidos de rayos X para diagnósticos no destructivos ".
Captura de procesos rápidos
Los rayos X se pueden utilizar para capturar procesos muy rápidos como reacciones químicas o la dinámica cambiante de las moléculas biológicas. Sin embargo, esto requiere una cámara de velocidad extremadamente alta con una velocidad de obturación rápida. Debido a que muchos materiales que son opacos a la luz son transparentes a los rayos X, puede resultar difícil mejorar la velocidad de los obturadores eficaces para los rayos X.
El nuevo dispositivo MEMS de rayos X se utiliza dentro de este recinto experimental en Advanced Photon Source. Se muestra el difractómetro de 6 círculos que manipula la óptica MEMS en una cámara de vacío. Crédito:Jin Wang
Para resolver este desafío, el equipo de investigación, compuesto por científicos de la Fuente de fotones avanzada de Argonne y el Centro de materiales a nanoescala, recurrió a dispositivos basados en MEMS. "Además de utilizarse en muchos de los productos electrónicos que utilizamos a diario, Los MEMS también se utilizan para manipular la luz para la comunicación de alta velocidad, ", dijo Wang." Queríamos averiguar si los dispositivos fotónicos basados en MEMS pueden realizar funciones similares para los rayos X como lo hacen con la luz visible o infrarroja ".
En el nuevo trabajo los investigadores muestran que el tamaño y el peso extremadamente pequeños de su obturador basado en MEMS le permite oscilar a velocidades equivalentes a aproximadamente un millón de revoluciones por minuto (rpm). Los investigadores aprovecharon esta alta velocidad y la propiedad difractiva de rayos X del material MEMS para crear un obturador de rayos X extremadamente rápido.
Aumento de la velocidad del obturador
Usando su nueva óptica en un chip con rayos X producidos por Advanced Photon Source, los investigadores demostraron que podía proporcionar una velocidad de obturación estable de tan solo un nanosegundo con un contraste de encendido / apagado extremadamente alto. Esto podría usarse para extraer pulsos de rayos X únicos de la fuente, incluso si los pulsos estuvieran separados solo 2,8 nanosegundos entre sí.
"Demostramos que nuestra nueva tecnología basada en chips puede realizar funciones que no son posibles con ópticas grandes convencionales, ", dijo Wang." Esto se puede utilizar para crear sondas ultrarrápidas para estudiar procesos rápidos en materiales novedosos ".
Los investigadores ahora están trabajando para hacer que los dispositivos sean más versátiles y robustos, de modo que puedan usarse de forma continua durante largos períodos de tiempo. También están integrando los sistemas periféricos utilizados con los diminutos dispositivos MEMS basados en chips en un instrumento autónomo desplegable.
