• O Futuro

Uma pequena nova câmera poderá em breve permitir filmes de raios-X

(Crédito: Joel bolha ben via Adobe Stock)

• Um estudo recente analisou um novo tipo de filme de raios-X que poderia algum dia permitir microscópios de raios-X e filmes de células vivas.
• O novo método se concentra em raios-X macios, que podem visualizar materiais finos e de baixa densidade.
• Um microscópio de raios-X que pode visualizar melhor os raios-X moles poderia potencialmente ver através do tecido e alcançar uma ampliação maior do que um microscópio óptico.

Um fotógrafo compõe sua cena a partir de alguns elementos-chave. Uma fonte de luz produz raios ou ondas, que são transmitidos para a câmera, padronizados por suas interações com os objetos no quadro. O fotógrafo captura uma pequena fração dessa luz e a deposita no filme ou chip digital dentro de sua câmera. A capacidade da fonte de luz e a qualidade do filme determinar quais cenas podem ser gravadas.

Imagens e filmes feitos com raios-X operam exatamente sob os mesmos princípios. Um trabalho científico considerável tem sido dedicado a geração de raios X e criando invisível Fontes de luz de raios X . As câmeras de raios-X também são uma área de pesquisa em andamento. Os limites tecnológicos desses dispositivos ditam as possibilidades de fotos e filmes de raios-X.

Um estudo recente publicado em Materiais Funcionais Avançados demonstra um novo tipo de filme de raios-X que poderia um dia permitir microscópios de raios-X e filmes de células vivas.

Os raios X atravessam a matéria como vidro colorido, dependendo de sua energia

Os raios X vêm em um espectro – assim como o espectro óptico de luz (vermelho, laranja, amarelo) – que nossos olhos veem. Na verdade, essas são duas porções diferentes do mesmo espectro de ondas eletromagnéticas. Ondas de frequência mais alta – e, portanto, energia mais alta – do que a luz visível são classificadas como luz ultravioleta (UV). UV produz queimaduras solares na pele humana, e tem sido um tema de interesse público sob circunstâncias recentes para esterilização de superfícies . À medida que a energia de uma onda de luz aumenta, ela transita da porção UV do espectro eletromagnético para a porção de raios X, com aproximadamente 100 a 100.000 vezes a energia de um raio visível.

Se você imaginar o espectro de energia dos raios X como uma gama de cores, então a matéria é como vidro colorido: objetos de densidade e espessura variadas transmitem diferentes cores de raios X. Um raio-X pode penetrar vários centímetros de matéria densa, se sua energia estiver correta. Essa transmissão nos permite fotografar o interior de um objeto visualmente opaco.

Mas simplesmente ver alguma luz não é suficiente. Uma fotografia ou vídeo precisa de contraste; a cena deve variar entre escuro e claro. Para obter alto contraste em uma imagem de raios X, os diferentes componentes da cena devem bloquear ou transmitir uma fração amplamente variável dos raios X iluminantes. Ajustar a fonte de luz e a câmera para um espectro de energia mais alto (hard) ou mais baixo (soft) pode alcançar esse efeito.

Ao escolher as energias de raios X adequadas para otimizar a transmissão e o contraste, podemos tirar imagens de todos os tipos de coisas. Geralmente, os raios X duros podem visualizar objetos extremamente densos ou espessos, enquanto os raios X macios podem visualizar materiais finos ou de baixa densidade. Os scanners dos aeroportos usam raios-X rígidos para procurar metal em malas volumosas. Átomos e moléculas diferentes também passam os raios X de maneira um pouco diferente. Os raios X médicos usam energias de raios X moderadamente duras para penetrar na pele, nos ossos e nos dentes.

Imagens em tempo real

Em uma faixa de energia específica e muito suave, chamada de janela de água, a água é altamente transparente, mas quantidades minúsculas de matéria viva à base de carbono absorvem fortemente os raios X. Este efeito pode ser aproveitado para produzir uma imagem de alto contraste de tecido vivo em suspensão. As células escuras são sobrepostas em seu meio de água brilhante.

Para aproveitar a janela de água, precisamos tanto de uma fonte quanto de uma câmera que funcione nessas energias muito suaves. Nós temos fontes de luz de raios X suaves . Também temos muitos tipos de dispositivos de detecção de raios X , muitas vezes chamados de detectores ou sensores. Você pode pensar neles como o filme em uma câmera tradicional ou o chip CCD em uma câmera digital: eles absorvem a luz e produzem uma imagem ou sinal elétrico.

Mas para raios-X suaves, faltava um filme ideal para capturar filmes de alta velocidade. As câmeras de raios X suaves geralmente usam um cintilador : um material que transmuta os raios invisíveis em raios visíveis que podem ser capturados com uma câmera comum. Os cintiladores têm grandes desvantagens quando comparados à detecção direta de raios-X. Eles são ineficientes, perdendo luz e distorcendo a imagem de raios-X. Eles também brilham por algum tempo após a detecção de raios-X, para que imagens consecutivas se sobreponham e fiquem borradas. Essas e outras limitações tornaram impraticáveis ​​as câmeras de vídeo de raios-X com janela d'água. É aí que entra a nova pesquisa.

O novo detector de raios X resolve esses problemas de velocidade, sensibilidade e espectro de energia. Seu filme é uma camada de cristal único de monossulfeto de estanho (SnS) com apenas 100 átomos de diâmetro. Quando os raios X atingem a pequena folha de SnS, eles expulsam diretamente um fluxo de elétrons. Esta corrente é lida com circuitos eletrônicos. O sensor SnS pode reagir em menos de 10 milissegundos, permitindo que centenas de fotos sejam tiradas em um segundo. Finalmente, é extremamente sensível, mas apenas aos raios X suaves que podem visualizar células vivas.

Construir uma câmera a partir de sensores SnS é claro no conceito. Cada sensor poderia atuar como um ponto (pixel) em uma imagem maior. Agrupar muitos sensores de pixel e fazer centenas de leituras de cada pixel a cada segundo poderia criar um filme. Sob a iluminação de uma fonte contínua de raios X suaves, uma câmera SnS pode gravar vídeo em tempo real. Se pudesse ser desenvolvido e conectado corretamente, a taxa de quadros também poderia ser alta o suficiente para filmes de alta velocidade ou câmera lenta.

Um uso particularmente interessante para uma câmera SnS é um microscópio que funciona exatamente como um microscópio óptico tradicional, mas amplia a imagem de raios-X de uma pequena amostra viva sob movimento contínuo. Este microscópio de raios-X pode ver através do tecido e também alcançar maior ampliação do que um microscópio óptico, devido ao menor comprimento de onda da luz de raios-X. Tal instrumento poderia transformar este avanço de pesquisa em uma tecnologia inovadora para a ciência médica e biológica.

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