פליטת קרני רנטגן על ידי אלקטרונים חופשיים הפוגעים בחומר ואן דר ואלס.קרדיט: הטכניון – המכון הטכנולוגי הישראלי
חוקרי הטכניון פיתחו מקורות קרינה מדויקים שצפויים להוביל לפריצות דרך בתחום ההדמיה הרפואית ובתחומים נוספים.הם פיתחו מקורות קרינה מדויקים שעשויים להחליף את המתקנים היקרים והמסורבלים המשמשים כיום למשימות כאלה.המנגנון המוצע מייצר קרינה מבוקרת עם ספקטרום צר שניתן לכוונן ברזולוציה גבוהה, בהשקעת אנרגיה נמוכה יחסית.הממצאים עשויים להוביל לפריצות דרך במגוון תחומים, לרבות ניתוח כימיקלים וחומרים ביולוגיים, הדמיה רפואית, ציוד רנטגן לבדיקות ביטחוניות ושימושים נוספים במקורות רנטגן מדויקים.

את המחקר פורסם בכתב העת Nature Photonics הובילו פרופסור עידו קמינר ותלמידו לתואר שני מיכאל שנצ'יס במסגרת שיתוף פעולה עם מספר מכוני מחקר בטכניון: הפקולטה להנדסת חשמל אנדרו וארנה ויטרבי, המכון למצב מוצק, המכון לננוטכנולוגיה של ראסל ברי (RBNI), ומרכז הלן דילר למדע קוונטי, חומר והנדסה.

מאמר החוקרים מציג תצפית ניסיונית המספקת את ההוכחה הראשונה למודלים תיאורטיים שפותחו בעשור האחרון בסדרה של מאמרים מכוננים.המאמר הראשון בנושא הופיע גם ב-Nature Photonics.מאמר זה נכתב על ידי פרופ' קמינר במהלך הפוסט-דוקטורט שלו ב-MIT, בהנחיית פרופ' מרין סולג'יק ופרופ' ג'ון ג'ואנופולוס, הציג באופן תיאורטי כיצד חומרים דו מימדיים יכולים ליצור קרני רנטגן.לדברי פרופ' קמינר, "מאמר זה סימן את תחילתו של מסע לעבר מקורות קרינה המבוססים על הפיזיקה הייחודית של חומרים דו-ממדיים ושילוביהם השונים - הטרו-מבנים.בנינו על פריצת הדרך התיאורטית מאותו מאמר לפיתוח סדרה של מאמרי המשך, ועכשיו, אנו נרגשים להכריז על התצפית הניסיונית הראשונה על יצירת קרינת רנטגן מחומרים כאלה, תוך שליטה מדויקת בפרמטרי הקרינה ."

חומרים דו מימדיים הם מבנים מלאכותיים ייחודיים שכבשו את הקהילה המדעית בסערה בסביבות שנת 2004 עם פיתוח הגרפן על ידי הפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, שלימים זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010. גרפן הוא מבנה מלאכותי של עובי אטומי בודד עשוי מאטומי פחמן.מבני הגרפן הראשונים נוצרו על ידי שני חתני פרס נובל על ידי קילוף שכבות דקות של גרפיט, "חומר הכתיבה" של העיפרון, באמצעות סרט דביק.שני המדענים והחוקרים הבאים גילו שלגרפן תכונות ייחודיות ומפתיעות השונות מתכונות הגרפיט: חוזק עצום, שקיפות כמעט מלאה, מוליכות חשמלית ויכולת העברת אור המאפשרת פליטת קרינה - היבט הקשור למאמר הנוכחי.תכונות ייחודיות אלו הופכות את הגרפן וחומרים דו-מימדיים אחרים למבטיחים עבור הדורות הבאים של חיישנים כימיים וביולוגיים, תאים סולאריים, מוליכים למחצה, מוניטורים ועוד.

חתן פרס נובל נוסף שצריך להזכיר לפני החזרה למחקר הנוכחי הוא יוהנס דידריך ואן דר ואלס, שזכה בפרס נובל לפיזיקה בדיוק מאה שנים קודם לכן, בשנת 1910. החומרים הקרויים כעת על שמו - חומרי vdW - הם המוקד של מחקרו של פרופ' קמינר.גרפן הוא גם דוגמה לחומר vdW, אך המחקר החדש מגלה כעת שחומרי vdW מתקדמים אחרים שימושיים יותר לצורך הפקת קרני רנטגן.חוקרי הטכניון ייצרו חומרים שונים של vdW ושלחו דרכם קרני אלקטרונים בזוויות ספציפיות שהובילו לפליטת קרני רנטגן בצורה מבוקרת ומדויקת.יתר על כן, החוקרים הדגימו יכולת כוונון מדויקת של ספקטרום הקרינה ברזולוציה חסרת תקדים, תוך ניצול הגמישות בתכנון משפחות של חומרי vdW.

המאמר החדש של קבוצת המחקר מכיל תוצאות ניסויים ותיאוריה חדשה המספקות יחד הוכחה ליישום חדשני של חומרים דו מימדיים כמערכת קומפקטית המפיקה קרינה מבוקרת ומדויקת.

"הניסוי והתיאוריה שפיתחנו כדי להסביר אותו תורמים תרומה משמעותית לחקר אינטראקציות קל וחומר וסוללים את הדרך ליישומים מגוונים בהדמיית רנטגן (רנטגן רפואי, למשל), בשימוש בספקטרוסקופיה של קרני רנטגן. לאפיין חומרים, ומקורות אור קוונטיים עתידיים במשטר הרנטגן", אמר פרופ' קמינר.