اختراق جديد في مجال المواد المركبة المرنة! فريق بحثي من جامعة خبي يطور ثلاث مواد جديدة باستخدام ومضات الأشعة السينية المبتكرة
تتمتع تقنية التصوير بالأشعة السينية بتطبيقات مهمة في العديد من المجالات مثل التشخيص الطبي وصناعة الدفاع والتكنولوجيا النووية والكشف عن السلامة الإشعاعية. يمكن لجهاز Scintillator، باعتباره الجهاز الأساسي في تطبيق تقنية الأشعة السينية، تحويل فوتونات إكس عالية الطاقة إلى ضوء مرئي منخفض الطاقة، وبالتالي تحقيق اكتشاف الأشعة السينية والتصوير.
في الوقت الحاضر، يتم تصنيع معظم المواد المتلألئة عن طريق التكليس في ظل ظروف درجات حرارة عالية، وهو أمر ليس مكلفًا فحسب، بل يصعب أيضًا تحقيقه لإعداد مساحة كبيرة على ركائز مرنة. لذا،لقد أصبح تطوير مواد وميض الأشعة السينية منخفضة السمية، وحساسة للغاية للأشعة السينية، وسهلة المعالجة في مصفوفات مرنة، محور وصعوبة البحث في هذا المجال.
حديثاً،قام الأستاذ المشارك تشانغ هايلي من كلية الكيمياء والأستاذ يانغ يانمين من كلية الفيزياء بجامعة خبي، بالتعاون مع الأستاذ ريتشارد هوجينبوم من جامعة جينت، بتطوير مادة متلألئة ذات تشتت جيد في الماء وحساسية عالية للأشعة السينية. كما قاموا أيضًا بتطوير ثلاث مواد باستخدام مواد مشعة قابلة للتشتت في الماء.- مواد رغوة البولي يوريثان ذات الخصائص الإشعاعية، وشاشات الهيدروجيل المرنة التي يمكن استخدامها في التصوير بالأشعة السينية، والهيدروجيل المركب لتشفير المعلومات المضادة للتزييف على مستويات متعددة. ونشرت النتائج ذات الصلة في مجلة Nature Communications.
رابط الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46287-8
اتبع الحساب الرسمي ورد على "Scintillator" لتحميل الورقة كاملة
تخليق مواد الأشعة السينية القابلة للتشتت في الماء
الهدف من هذا البحث هو تطوير مادة مشعة للأشعة السينية قابلة للتشتت في الماء.يعتمد هذا الجهاز على أنابيب نانوية من الهالوسيت (HNTs) معدلة بجسيمات نانوية من الأشعة السينية خالية من الرصاص. أنابيب النانو النانوية عالية الكثافة هي مادة نانوية طبيعية ذات تجاويف كبيرة وكثافة منخفضة وقابلية جيدة للتشتت في الماء وشحنة سالبة مستقرة على السطح الخارجي مما يمنع الأنابيب النانوية من التكتل. وفي الوقت نفسه، تمتلك الأنابيب النانوية عالية الكثافة خصائص جذابة مثل التوافق الحيوي الجيد، والسمية المنخفضة، والاستقرار العالي، والقدرة على تحمل الماء، وقابلية المعالجة، والتكلفة المنخفضة، مما يجعلها مرشحة مثالية لتصنيع المواد المركبة.
من أجل توليد الصوديوم النانوي5لو9ف32:Tb3+، حمض الستريك (CA) ضروري كعامل مخلب. في هذه الدراسة، تم ربط CA بالسطح الخارجي لـ HNTs-NH2 (مجموعات أمينية مؤينة من HNTs)، وتم غسل أنابيب الهالوسيت المعدلة بحمض الستريك (HNTs-CA) الناتجة جيدًا لضمان عدم وجود CA الحر، وهو شرط أساسي مهم لتكوين ومضات الأشعة السينية على سطح الأنبوب النانوي.وتوصلت الدراسة إلى أن HNTs-CA يتمتع بقدرة جيدة على الانتشار في الماء.
بعد التأكد من أن HNTs-CA تم تحضيره بنجاح،تم استخدام المفاعل الحراري المائي لتنمية جسيمات نانوية متلألئة للأشعة السينية كقالب، و HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+.
قام الباحثون بدراسة HNTs البكر، وHNTs-CA، وHNTs@Na عن طريق الإشعاع بالأشعة السينية.5لو9ف32:Tb3+ خصائص الانبعاثوقد وجد أن سلوك انبعاث التلألؤ لديهما كان مختلفًا تمامًا.
لم تظهر HNTs وHNTs-CA النقية أي خصائص تلألؤ تحت إشعاع الأشعة السينية.
HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ يحتوي طيف RL على أربع قمم انبعاث عند أطوال موجية 489 و 544 و 585 و 620 نانومتر، ومن بينها كثافة ذروة الانبعاث عند طول موجي 544 نانومتر أعلى بكثير من كثافة قمم الانبعاث الأخرى.لذلك، تحت إشعاع الأشعة السينية، HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ يصدر ضوءًا أخضرًا قويًا.
تطوير وتطبيق مواد مركبة مرنة جديدة
رغوة البولي يوريثان الحساسة للأشعة السينية (PUF)
رغوة البولي يوريثان هي مادة بوليمرية تجارية شائعة الاستخدام، وتستخدم على نطاق واسع في المنسوجات والأثاث والبناء. لذلك، إذا كان من الممكن استخدام رغوة البولي يوريثان الجاهزة مع ومضات الأشعة السينية، فيمكن الحصول على منتجات بوليمرية ذات خصائص ومضات الأشعة السينية بشكل مباشر.
استخدم الباحثون المجهر الإلكتروني الماسح لدراسة PUF الأصلي و HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+@بنية مجهرية PUF. أظهر PUF بنية ذات مسام مفتوحة مع جدران مسام ناعمة.
HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+يمكن أيضًا ملاحظة عدم وجود أي ضرر في الإطار في صور المجهر الإلكتروني الماسح لـ @PUF.تظهر النتائج أن HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ تم امتصاص مادة الامتصاص بالأشعة السينية بنجاح.
ولإثبات تجانس الطلاء بشكل أكبر، قام الباحثون باختيار HNTs@Na بشكل عشوائي5لو9ف32:Tb3+عند 5 نقاط في عينة PUF وتم تسجيل شدة ذروة طيف RL عند طول موجي 544 نانومتر لكل نقطة. بلغت قيمة الانحراف المعياري النسبي (RSD) للنتائج التي تم الحصول عليها من قيم الكثافة 4.8%،HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ الطلاء موحد على سطح PUF.
وأظهر التحليل العنصري للمقطع العرضي أنHNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ لديه قدرة اختراق جيدة. وأظهرت نتائج اختبار الاستقرار لمدة 30 يومًا أن HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+يتمتع @PUF بثبات حراري وضوئي جيد.
عند تعرضها للأشعة السينية، فإن HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+@PUF يمكن أن يصدر ضوءًا أخضر مرئيًا، وهو ما يتوافق مع طيف انبعاث RL المثار بواسطة الأشعة السينية. بالإضافة إلى ذلك، تزداد شدة التلألؤ مع جرعة الأشعة السينية من 3.1 إلى 9.2 cGy s-1 تزداد مع زيادة .
سيقوم الباحثون بـ HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+تم قطع عينات @PUF إلى الأشكال المطلوبة ولصقها على المعاطف البيضاء؛ HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ تم إضافته إلى راتنج الإيبوكسي لصنع قلادة على شكل دمعة ذات شفافية جيدة، وأخيراً تم تطبيق المادة الناتجة في مختبرات الإشعاع.
وأظهرت النتائج أن كلاً من الرغوة والمعلقات على شكل دمعة يمكن أن تصدر ضوءاً أخضر مرئياً استجابة لأشعة إكس بجرعة منخفضة، وهو أقل بكثير من تلك المستخدمة في العلاج الإشعاعي الموضعي.
شاشات هيدروجيل مرنة ومضيئة للتصوير بالأشعة السينية
تُعد ألواح الكروماتوغرافيا الطبقية الرقيقة (TLCPs) مواد تجارية تُستخدم عادةً في الكيمياء العضوية.
ال2ا3 تم تحضيره عن طريق الخلط مع CMC-Na ثم طلائه على شريحة زجاجية.
نظرًا لأن سطح أنابيب الكربون النانوية عالية الكربون يتكون بشكل أساسي من مجموعات Si-O-Si وAl-OH، فإن خصائصها الكيميائية
ال2ا3 على غرار هلام السيليكا، ألهم هذا التشابه الباحثين للحصول على HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ تم تطوير شاشات أشعة سينية صلبة مختلطة بـ CMC-Na.
استخدم الباحثون نموذج الكبسولة ومعدات التصوير محلية الصنع لإثبات جدوى التصوير بالأشعة السينية. أيضًا،تظهر اختبارات الاستقرار أن HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ تتمتع شاشة الأشعة السينية الأساسية بثبات حراري جيد واستقرار ضوئي.
على الرغم من أن التصوير بالأشعة السينية عالية الدقة تم تحقيقه سابقًا بجرعات أقل من الأشعة السينية باستخدام مواد أخرى وميضية للأشعة السينية، إلا أنه يمكن تحضير فيلم التصوير بالأشعة السينية المركب الخالي من الرصاص والذي تم تطويره في هذه الدراسة من خلال إجراء أبسط قائم على الماء.يشير هذا إلى أنه بناءً على HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ شاشة التصوير بالأشعة السينية قابلة للتطوير.
للتغلب على قيود شاشات الوميض الصلبة، قام الباحثون بإعداد شاشة وميض مرنة من خلال دمج HNTs@Na5Lu9F32:Tb3+ في الهلاميات المائية المترابطة كيميائيًا. يمكن لشاشة الوميض المرنة أن تتكيف مع الأشياء غير المسطحة عن طريق التمدد أو الانحناء إلى الأشكال المطلوبة.
كما حاول الباحثون تعديل الصوديوم باستخدام حمض الأوليك (OA).5لو9ف32:Tb3+ سطح OA@Na5لو9ف32:Tb3+ المنتج، وبالتالي تحسين قابلية تشتت الماء. يحتوي على HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ أظهرت الهلاميات المائية قوة شد أفضل من تلك التي تحتوي على OA@Na5Lu9F32:Tb3+ وحتى أعلى من الهلاميات المائية البكر. في المقابل،يحتوي على HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ يجب أن تكون الهلاميات المائية أفضل من تلك التي تعتمد على OA@Na5لو9ف32:Tb3+ تتمتع نظائرها بإمكانيات تطبيق أفضل في شاشات الوميض بالأشعة السينية.
بالإضافة إلى ذلك، بناءً على نموذج الكبسولة،يحتوي على HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ وأثبت الهيدروجيل أيضًا جدوى التصوير بالأشعة السينية.إن تثبيت المواد النانوية المتلألئة على سطح الأنابيب النانوية عالية الكربون يمكن أن يوفر أفكارًا جديدة لتطوير مواد متلألئة بديلة ذات خصائص ميكانيكية جيدة.
هيدروجيل مركب مع تشفير معلومات متعدد المستويات لمكافحة التزييف
تم اقتراح استخدام المواد الهلامية المائية، التي يمكنها تغيير لونها استجابة للمحفزات الخارجية مثل الأشعة فوق البنفسجية والحرارة ودرجة الحموضة، لتخزين المعلومات. ومع ذلك، فإن فك تشفير المعلومات تحت محاكاة واحدة يمكن اختراقه بسهولة، وسرقته، وتزويره، مما ألهم الباحثين لاستكشاف الهلاميات المائية المشفرة متعددة الطبقات على أساس سلوكيات الانبعاث المختلفة لـ RL المثار بالأشعة السينية والضوء الضوئي (PL). بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض المواد العضوية المكونة من ذرات الضوء لها قدرة ضعيفة على امتصاص الأشعة السينية ولا يمكنها إصدار الضوء إلا تحت الأشعة فوق البنفسجية ولكن ليس تحت الأشعة السينية. وقد ألهم هذا الاختلاف في سلوك الانبعاث الباحثين إلى الجمع بين تكنولوجيا مكافحة التزييف وتكنولوجيا التشفير متعدد المستويات في هلاميات مائية هجينة ذات معلومات مشفرة.
قام الباحثون بتصنيع ثلاثة أنواع من الهلاميات المائية:* تم تحضير Gel-0 باستخدام حمض 1,4-فينيل ديبورونيك كعامل ربط متقاطع للكحول البولي فينيل (PVA) وتم استخدامه كركيزة لإعداد الهلاميات المائية متعددة الطبقات. لم يصدر أي فلورسنت تحت الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية.5لو9ف32:Tb3+ تم تحضير الهيدروجيل (Gel-1) باستخدام قالب على شكل حرف، وتم استخدام رباعي فينيل إيثيلين (M3) المعالج بحمض البوريك لتشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد في Gel-1. تم تحضير Gel-2 بشكل مشابه لـ Gel-1، ولكن بدون إضافة HNTs@Na5لو9ف32:Tb3+، لذا فإن Gel-2 لديه خصائص التألق الضوئي فقط
تم تحضير الجل-1 والجل-2 على شكل أحرف وشكلوا طبقة المعلومات. أدت الروابط المتصالبة للبورونات وبقايا حمض الأريلبورونيك المحتملة في الهلاميات المائية إلى تحفيز خصائص الشفاء الذاتي وسلوكيات التبادل الديناميكي، مما أدى إلى دمج طبقات الهيدروجيل الفردية.تقترح هذه الدراسة تصميم هلام مائي متعدد الطبقات على شكل شطيرة يحتوي على معلومات مشفرة.يتكون الهيدروجيل من طبقتين خارجيتين غير مضيئتين (Gel-0) وطبقة معلومات داخلية (التسلسل: Gel-0 / طبقة المعلومات / Gel-0).
يمكن طي أو ثني الهيدروجيل متعدد الطبقات الناتج إلى شكل حرف U تقريبًا، دون أي تساقط بين طبقات الهيدروجيل، ولا يمكنه عرض أي معلومات في ظل ظروف الإضاءة العادية. تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، تتوهج الحروف EHBUT، والتي يمكن رؤيتها بوضوح في الصورة أدناه. لا يوجد فرق في التأثير الضوئي للجسمين المضيئين. تعتبر المعلومات التي يتم تحديدها من خلال الأشعة فوق البنفسجية معلومات خاطئة. لا يمكن قراءة الحروف المشفرة (HBU الموضحة أدناه) إلا عن طريق تصويرها بالأشعة السينية.
علاوة على ذلك، يدعم الهيدروجيل متعدد الطبقات أيضًا تقنية تشفير الأمان الإضافية لمنع تسرب المعلومات ومكافحة المنتجات المقلدة والرديئة. ترتبط الهلاميات المائية متعددة الطبقات على أساس الروابط التساهمية الديناميكية بدلاً من التجميع المادي، وبالتالي تكون الهلاميات المائية موحدة ويمكن برمجتها باستخدام تمويه معلومات أكثر تعقيدًا وتشفير متعدد المستويات استنادًا إلى ثلاثة أنواع مختلفة من مكونات الهيدروجيل. علاوة على ذلك، تساهم الروابط التساهمية الديناميكية الموجودة في الهلاميات المائية متعددة الطبقات التي تم الحصول عليها أيضًا في خصائص الشفاء الذاتي المحتملة.
وفي الملخص، تظهر نتائج البحث أنHNTs@Na5لو9ف32:Tb3+ تعتبر البلورات النانوية عبارة عن مواد مشعة عالية الكفاءة يمكن معالجتها بسهولة كمستحلبات مائية.تُستخدم لتطوير ركائز وطلاءات ومواد هلامية مائية حساسة للأشعة السينية. وفي الوقت نفسه، أظهرت هذه الدراسة أيضًا إمكانات تطبيق المواد النانوية القائمة على الطين كدعامات للجسيمات النانوية الوظيفية.وقد نجح هذا البحث في توسيع نطاق تطبيق مواد وميض الأشعة السينية في مجال المواد المركبة المرنة، كما قدم دعماً قوياً لتحسين وتطوير المواد المركبة البوليمرية ذات القيمة المضافة العالية.
تطوير مواد عالية الأداء ومنخفضة التكلفة للتغلب على مشاكل الاختناق
بعد أكثر من مائة عام من التطوير، أصبحت المواد المضيئة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بحياة الناس، من أبحاث الفيزياء النووية إلى فحوصات الأسنان، ومن اكتشاف رونتجن لظاهرة الفلورسنت في بلاتينوسيانات الباريوم إلى تطبيقات اليوم عالية الأداء ومتعددة المجالات.
يُظهر تقرير أبحاث سوق صناعة الومضات الصينية أن حجم سوق الومضات العالمية سيصل إلى 4.385 مليار يوان في عام 2022، وسيصل حجم سوق الومضات الصينية إلى 479 مليون يوان. يتوقع التقرير أن يصل حجم سوق الومضات العالمية إلى 6.985 مليار يوان بحلول عام 2028. وعلى وجه التحديد في المجال الطبي، تُظهر البيانات ذات الصلة أن حجم سوق الومضات الطبية العالمية سيبلغ حوالي 610 مليون يوان في عام 2023، ومن المتوقع أن يصل إلى 850 مليون يوان في عام 2030، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 4.9% خلال الفترة 2024-2030.
ومع ذلك، تعتمد أغلب مواد الومضان عالية الأداء للمكونات الأساسية حاليًا على الواردات. قال تشين تشيو شوي، الأستاذ المتميز في منحة مينجيانج بمقاطعة فوجيان، والباحث والمشرف على الدكتوراه في كلية الكيمياء بجامعة فوتشو،تواجه معدات التصوير الطبي المتطورة المستوردة ومكوناتها الرئيسية مشاكل مثل ارتفاع التكاليف وحصار التكنولوجيا الأساسية. لطالما احتكرت اليابان والدول الأوروبية تكنولوجيا التصنيع الأساسية.
في المستقبل، سوف تستمر أجهزة الأشعة السينية في التطور في اتجاه الأداء العالي والتكلفة المنخفضة. من ناحية أخرى، مع التقدم المستمر لتكنولوجيا المواد الجديدة وتحسين تكنولوجيا التحضير، سيتم تحسين أداء أجهزة وميض الأشعة السينية بشكل أكبر؛ ومن ناحية أخرى، فإن خفض تكاليف الإنتاج وتحسين كفاءة الإنتاج سوف يصبح اتجاهًا مهمًا لتطوير صناعة الأشعة السينية. وفي الوقت نفسه، مع الابتكار المستمر في تكنولوجيا التصوير الطبي وتكنولوجيا التفتيش الأمني وتوسيع مجالات التطبيق، فإن الطلب في السوق على أجهزة الأشعة السينية سيستمر في النمو.
في مواجهة الحصار التكنولوجي الأجنبي، يعد الابتكار المستقل والبحث والتطوير هو السبيل الوحيد للخروج. تحتاج الصين بشكل عاجل إلى تطوير مواد جديدة لتصوير الأشعة السينية لتحقيق اختراق.