Phương pháp chụp X-quang mới sử dụng khoáng chất tự nhiên hackmanite

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Turku đã phát hiện ra một phương pháp chụp X-quang mới dựa trên khả năng tạo màu của khoáng vật tự nhiên hackmanite. Họ cũng đã tìm ra cách thức và nguyên do hackmanite thay đổi khi tiếp xúc với tia X. Hackmanite [Na₈Al₆Si₆O₂₄(Cl₂,S)] là một biến thể chứa lưu huỳnh của khoáng sodalite [Na₈Al₆Si₆O₂₄C_l2].

Hackmanite là khoáng chất tự nhiên có thể phát sáng trong bóng tối. Đá này là một dạng sodalite, vật liệu tự nhiên có khả năng phục hồi quang sắc tố, thay đổi màu sắc từ trắng nhạt sang hồng hoặc tím khi tiếp xúc với tia UV hoặc tia X. Bởi đặc tính không độc hại, rẻ và bền, hackmanite sẽ là vật liệu tối ưu để phát hiện trực quan sự hiện diện của tia X trong các hệ thống đơn giản. Tuy nhiên, khả năng tạo màu do tia X của nó cho đến nay vẫn chỉ được biết đến một cách định tính. Trong nghiên cứu được công bố gần đây, khoáng chất hackmanite cũng có khả năng tạo màu khi tiếp xúc với tia X. Các nghiên cứu này cho kết quả ban đầu về cách hackmanite thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với tia X, tuy nhiên vẫn không rõ nguyên lý và cách thức tạo màu của hackmanite. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Turku đã thử chụp X-quang với bề mặt tấm nền ảnh làm bằng hackmanite. Nhóm tạo ra các hackmanite tổng hợp, cho phép kiểm soát các đặc tính của vật liệu và điều chỉnh nó cho các mục đích sử dụng khác nhau bằng cách thêm hoặc thay thế các nguyên tử trong cấu trúc cơ bản của vật liệu.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã xem xét sự biến đổi của bốn loại hackmanite tổng hợp khi tiếp xúc với tia X bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt tạo ra tia X với năng lượng có thể điều chỉnh được. Tất cả các mẫu đều cho kết quả rất tích cực và có lượng thông tin có giá trị về cách thêm các nguyên tử khác nhau trong cấu trúc cơ bản tác động đến khả năng tạo màu của hackmanite. Họ cũng nhận thấy rằng cơ chế thay đổi màu sắc xảy ra bởi tia X kích thích các electron lớp vỏ bên trong, không giống như bức xạ UV, khiến chỉ các electron kém liên kết nhất của lớp vỏ bên ngoài tham gia vào quá trình tạo màu.

Sau khi tiếp xúc với tia X, phim hackmanite để lại hình ảnh con kiến ​​được chụp bằng tia X. Ảnh đã được chụp bằng máy DSLR (Nguồn: Sami Vuori)

Đo liều bức xạ và xác định hình ảnh với sự trợ giúp của hackmanite

Theo các nhà nghiên cứu, hackmanite là một loại vật liệu có nhiều khả năng sử dụng. Bằng chứng được ghi nhận là khoáng chất này đã cho được hình ảnh X-quang của xác một con kiến ​​đã chết. Sử dụng hackmanite để chụp ảnh có ưu điểm là không yêu cầu cần có công cụ phân tích đắt tiền: chúng ta hoàn toàn có thể quan sát bằng mắt và ghi lại hình ảnh đó bằng máy ảnh. Sau khi kiểm tra bằng nhiễu xạ tia X, tất cả các mẫu đều có cấu trúc tinh thể chính xác, phát quang khi chiếu xạ tia UV và tia X. Từ những nghiên cứu trước đây, các tính chất đặc trưng của các trung tâm màu có thể được xác định bằng a) năng lượng ngưỡng cần thiết để tạo ra màu, b) phổ hấp thụ của vật liệu có màu, c) năng lượng cần thiết để tẩy màu bằng nhiệt, d) năng lượng cần thiết để tẩy màu quang học và e) tốc độ phân rã tự phát của màu ở nhiệt độ phòng.

Hackmanite phát sáng màu trắng trong bóng tối. Khoáng chất được chụp ảnh trong ánh sáng UV (Nguồn: Mika Lastusaari)

Tương tự như hiện tượng phát quang do tia UV gây ra, hiện tượng phát quang do tia X gây ra bao gồm sự tham gia của các ion di-sulfua. Các nhà nghiên cứu đã khảo sát những hiện tượng xảy ra với các loại lưu huỳnh trong quá trình tiếp xúc với tia X. Điều đó được thực hiện bằng phép đo cấu trúc gần rìa hấp thụ tia X (XANES) trên vùng cạnh K của lưu huỳnh. Các đặc điểm nổi bật nhất của quang phổ là đỉnh trước cạnh ở 2,465 keV, đỉnh cạnh ở 2,471 keV và đỉnh sunfat ở 2,481 keV. Với thời gian chiếu tia X tăng dần, đỉnh trước cạnh tăng lên, đỉnh cạnh giảm dần và đỉnh sunfat không hoạt động. Những kết quả này phù hợp với những kết quả được báo cáo trước đó. Người ta giả thuyết rằng sự gia tăng của đỉnh trước cạnh có tương quan sâu sắc của tenebrescence, vì nó bão hòa theo thời gian và hội tụ theo một kiểu tương tự như hiện tượng tenebrescent do tia cực tím gây ra. Ngoài ra, đỉnh cạnh cũng được cho là có liên quan đến quá trình phát quang.

Trong quá trình tiếp xúc với tia X, hackmanite phát xạ trong vùng UV đạt cực đại ở bước sóng ≈400 nm. Điều này có nghĩa là hackmanite hoạt động như một máy soi, tức là, như một vật liệu phát quang quang học kích thích tia X (XEOL). XEOL là quá trình trong đó một lỗ lõi và một quang điện tử đi kèm có động năng cao được tạo ra thông qua sự hấp thụ photon tia X. Sự khử kích thích có thể xảy ra thông qua huỳnh quang tia X hoặc thông qua phản ứng dây chuyền của các electron và các lỗ trống bên ngoài, cuối cùng đạt đến trạng thái cơ bản nơi tất cả năng lượng được tiêu tán, ngừng quá trình kích thích tiếp theo. Nói chung, điều này có nghĩa là cặp electron-lỗ trống được tạo ra ban đầu gây ra một dòng thác ngày càng nhiều electron tương tự các lỗ trống. Cả hai đều mất năng lượng trên đường đi đến đáy của vùng dẫn (electron) hoặc đỉnh của vùng hóa trị (lỗ trống). Ngoài ra, chúng tôi quan sát thấy cường độ XEOL giảm khi tăng thời gian trong chùm tia X. Sự sụt giảm tương tự trước đó đã được báo cáo đối với sự phát quang cực âm ở hackmanite.

Kết quả này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự hiểu biết về các đặc tính nổi bật của vật liệu hackmanite. Hackmanites mang lại lợi thế là chúng có thể được sử dụng làm thiết bị ghi nhớ trực quan để hiển thị liều lượng tích lũy một cách thuận tiện dưới dạng cường độ màu trong vật liệu. Vì hackmanite có cấu trúc khoáng chất và quá trình tạo màu liên quan đến sự sắp xếp lại cấu trúc là rất nhỏ, nên hackmanite có thể chịu được cả liều bức xạ cao và chu kỳ giảm màu thực tế là ở dạng nguyên sinh. Điều này làm cho vật liệu có nhiều lựa chọn thay thế trong các ứng dụng đo liều lượng tia X và quang sắc tố trong tương lai.