Tissue equivalent X-ray dosimetry based on carbon nanotubes
Authors: Μπάρδη Νίκη 
Published: November 2021

Η πρόοδος στη νανοτεχνολογία μάς επιτρέπει να δομήσουμε νέα υλικά στη νανοκλίμακα και να αναπτύξουμε νέα συστήματα ικανά για την ενεργή απόκριση των ακτίνων Χ καθώς και για την αίσθηση υγρασίας. Η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα σε πολυμερή ενισχύει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ακόμη και κατά τη φόρτωση μικρών υλικών πλήρωσης, καθιστώντας τα κατάλληλα για την κατασκευή αισθητήρων. Τα πολυμερή έχουν χαμηλό μέσο ατομικό αριθμό, γεγονός που τα καθιστά ισοδύναμα με τον ανθρώπινο ιστό όταν χρησιμοποιούνται στη δοσιμετρία ακτίνων Χ σε κλινικές εφαρμογές. Τα νανοϋλικά άνθρακα είναι δισδιάστατα φύλλα ατόμων άνθρακα. Οι συσκευές που βασίζονται σε νανοϋλικά άνθρακα είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για το μέλλον, καθώς είναι υλικά ισοδύναμα με ιστούς με υψηλά επίπεδα μικρογραφίας, δυνατότητα κατασκευής και ενσωμάτωσης υψηλής κλίμακας σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ιδανικοί υποψήφιοι για μελλοντικά πολυλειτουργικά στοιχεία για την ανίχνευση ακτίνων Χ και, ως εκ τούτου, μελετάται ο ρόλος τους στη ρύθμιση των ηλεκτρικών και ανιχνευτικών ιδιοτήτων των σύνθετων πολυμερών. Οι επιδράσεις των 0,20 Gy και 0,45 Gy ακτίνων Χ στους νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος μελετούνται προκειμένου να διερευνηθεί η χρήση τους ως μικροσκοπικών και εξαιρετικά ευαίσθητων ανιχνευτών ακτινοβολίας. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η φασματοσκοπία Raman και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό των επιδράσεων. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι ευαίσθητοι στην ακτινοβολία των ακτίνων Χ καταλήγωντας σε υλικά με μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο και ελαττώματαsp ^3 που προκαλούνται από την ακτινοβολία. Συζητείται επίσης η αποδόμηση των πολυμερών λόγω των ακτίνων Χ.Περιγράφεται το γνέσιμο και ο χαρακτηρισμός των ινών από νανοσωλήνες άνθρακα και πολυβινυλική αλκοόλη που κατασκευάζονται με τη χρήση μιας συνεχούς τεχνολογίας πήξης, καθώς και ινών που περιέχουν μόνο νανοσωλήνες άνθρακα. Μελετούνται επίσης τροποποιήσεις των παραμέτρων γνεσίματος (όπως ο ρυθμός έγχυσης, η ταχύτητα περιστροφής του λουτρού πήξης και ο ρυθμός ροής πήξης) και οι ιδιότητες του λουτρού πήξης (όπως το pH του διαλύματος πήξης), καθώς επηρεάζουν δραματικά τη δύναμη και τη μορφολογία της ίνας. Μελετώνται διάφορες ιδιότητες των προκύπτουσων ινών ως συνάρτηση των μεταβλητών διεργασίας με τη χρήση τεχνικών όπως η μηχανική καταπόνηση, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, τα οπτικά φάσματα (σε περιοχές UV έως μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας), η μικροσκοπία ηλεκτρονίων σάρωσης, η φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας, η φασματοσκοπία Raman, η φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας Fourier, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης, η μικροσκοπία δύναμης ανιχνευτών Kelvin και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ. Οι ίνες CNT-PVA έχουν χρησιμοποιηθεί ως δοσίμετρα ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Μετρήσεις φωτορευμάτων ως συνάρτηση του χρόνου πραγματοποιήθηκαν στις ίνες καθώς ακτινοβολήθηκαν με δέσμη ακτίνων Χ σε διαφορετικούς ρυθμούς δόσης από 0,0003 Gy/h έως 76,89 Gy/h, όπου ο ρυθμός δόσης καθορίστηκε από την απόσταση των συσκευών από το σωλήνα ακτίνων Χ. Η αποδόμηση των ινών με ακτινοβολία έως και 226,8 Gy ακτίνων Χ μελετήθηκε επίσης εκτενώς με φασματοσκοπία Raman, φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ και διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης μεταξύ άλλων τεχνικών. Με την ενσωμάτωση αυτών των ινών σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, θα είναι δυνατή η ανάπτυξη έξυπνων υλικών για ενδύματα ενεργής δοσιμετρίας, ικανά να μετρούν τη δόση ακτινοβολίας ολόκληρου του σώματος για τους εργαζομένους στην πυρηνική βιομηχανία. Οι ίνες από νανοσωλήνες άνθρακα και πολυβινυλική αλκοόλη ανταποκρίθηκαν επίσης άμεσα στην υψηλή υγρασία καθώς διογκώνονταν. Αναπτύχθηκαν επίσης ανιχνευτές ακτίνων Χ κολλοειδών νανοσύνθετων. Το λατέξ που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη έχει θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης -50 °C και επομένως είναι κολλώδες και μαλακό σε θερμοκρασία δωματίου. Οι μετρήσεις αγωγιμότητας DC και AC έδειξαν ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες ενισχύθηκαν μετά την ενσωμάτωση των νανοσωλήνων άνθρακα. Η ανίχνευση με ακτίνες Χ ενός πολυμερούς κολλοειδούς μετά την προσθήκη μιας μικρής ποσότητας νανοσωλήνων άνθρακα επίσης ενισχύθηκε, λόγω του αποτελεσματικού διαχωρισμού φορτίων στη διεπαφή του λατέξ και των νανοσωλήνων άνθρακα και οι κολλώδεις ιδιότητες ήταν επίσης υψηλότερες καθώς οι νανοσωλήνες άνθρακα ενισχύουν τον ινιδισμό. Η ακτινοβόληση με ακτίνες Χ παρήγαγε γραμμική αύξηση του φωτορεύματος σε ένα εύρος των ρυθμών δόσεων από 0,18 έως 54,99 mGy/s. Μια χαμηλή συγκέντρωση 0,1 wt.% νανοσωλήνων άνθρακα παρείχε αρκετούς διαδρόμους για τη συλλογή των φορέων στα ηλεκτρόδια. Το δείγμα με την καλύτερη απόκριση στις ακτίνες Χ ήταν το λάτεξ που περιείχε 0,1 wt.% νανοσωλήνες άνθρακα που δεν αποδομήθηκε μετά από 0,45 Gy ακτίνες Χ.Αυτή η διδακτορική διατριβή έχει σκοπί να προτείνει εναλλακτικούς ανιχνευτές των ακτίνων Χ που είναι ισοδύναμοι με τον ανθρώπινο ιστό και έχουν ως βάση πολυμερικές ίνες με νανοσωλήνες άνθρακα ή κολλώδη νανοσύνθετα με λάτεξ ευαίσθητα στην πίεση. Απεικονίζεται η διεξοδική κατανόηση του μηχανισμού πίσω από την ανίχνευση ακτίνων Χ και τη χημεία που προκαλείται από την ακτινοβολία στη διεπαφή του πολυμερούς και των νανοσωλήνων άνθρακα. Αυτές οι σύνθετες συσκευές παρουσιάζουν αντοχή στην ακτινοβολία, σε αντίθεση με τους νανοσωλήνες άνθρακα και τα πολυμερή όταν βρίσκονται μόνα τους. Αν και οι συσκευές που προκύπτουν είναι χαμηλού κόστους, έχουν σχετικά υψηλή απόδοση ανίχνευσης και μπορεί να χρησιμοποιηθούν για ανιχνευτές σε μεγάλες επιφάνειες, ως βιώσιμη εναλλακτική λύση σε πιο παραδοσιακά υλικά συσκευών για δοσιμετρία ισοδύναμη με τους ανθρώπινους ιστούς.