Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) разработали новую углеродную мембрану, которая может революционизировать протонную терапию для онкологических больных и продвинуть технологии в медицине и других областях, таких как энергетические устройства и гибкая электроника.
Новый углеродный материал
Новый углеродный материал, толщиной всего в один атом, демонстрирует невероятные перспективы в создании высокоточных протонные пучки. Такие пучки являются ключом к более безопасной и точной протонной терапии для лечения рака. Новый материал, получивший название ультрачистый монослой аморфного углерода (UC-MAC), может превзойти лучшие в своём классе материалы, такие как графен или коммерческие углеродные плёнки.
Исследование
Исследование проводилось под руководством доцента Лу Цзюна и его команды из химического факультета NUS в сотрудничестве с международными партнёрами. Оно опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
В отличие от графена, который имеет идеально упорядоченную структуру шестиугольных колец, UC-MAC состоит из сложной смеси пяти-, шести- и семичленных углеродных колец, расположенных в беспорядочном ультратонком листе.
Преимущества материала
Этот беспорядок на атомном уровне является преимуществом, поскольку он приводит к появлению пор на уровне ангстрема, шириной всего в одну десятимиллиардную метра, которые можно точно настроить для управления поведением крошечных частиц, таких как протоны и молекулярные ионы водорода (H₂⁺), когда они проходят через материал.
Пористая и ультратонкая природа материала делает его идеальным для фильтрации и разделения субатомных частиц, что имеет решающее значение для ряда высокотехнологичных применений.
Производство материала
Одним из самых больших препятствий в использовании этого материала для реальных приложений является сложность его производства. Существующие методы медленные, дорогостоящие и часто приводят к появлению металлических примесей, которые ухудшают характеристики материала.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новый промышленный совместимый процесс синтеза, называемый подходом от беспорядка к беспорядку (DTD). Используя специальный тип плазменно-усиленного химического осаждения из газовой фазы (ICP-CVD), они смогли вырастить 8-дюймовый лист UC-MAC за секунды, что намного быстрее, чем предыдущие методы, без какого-либо обнаруживаемого металлического загрязнения.
Это значительный шаг вперёд в масштабировании производства этого передового материала для промышленного и медицинского применения.
Сотрудничество
Это достижение стало возможным благодаря тесному сотрудничеству между химиками-синтетиками, учёными в области материалов и теоретическими физиками, включая профессора Цзэн Сяо Чэна из Городского университета Гонконга, доцента Чжао Сяосю из Пекинского университета, доцента Томаса Осиповича из физического факультета NUS и других авторов.
Результаты
При использовании в качестве мембраны для разделения молекулярных ионов водорода (H₂⁺) на отдельные протоны UC-MAC создавал протонные пучки, которые были значительно более чёткими, чем те, которые генерировались с использованием графена или традиционных углеродных плёнок. Фактически, новый материал снизил количество нежелательных событий рассеяния протонов примерно в два раза по сравнению с графеном и в 40 раз больше, чем коммерческие углеродные тонкие плёнки.
Это особенно важно для неинвазивных методов лечения рака, таких как протонная терапия, где сфокусированные пучки используются для поражения опухолей, сохраняя при этом здоровые ткани. Более тонкие мембраны с минимальным рассеянием могут помочь врачам лучше контролировать ток и направление пучка, делая лечение более безопасным и эффективным.
Хотя основное внимание сейчас уделяется протонной терапии, UC-MAC имеет потенциал далеко за пределами медицины. Его ультрачистая пористая структура может быть полезна для многих применений, включая энергетические устройства, такие как топливные элементы и батареи, катализ, где точное молекулярное разделение имеет ключевое значение, и гибкая электроника.
«Полупроводниковые свойства плёнок UC-MAC также делают их перспективными кандидатами для ультратонкой электроники, особенно для интегральных схем размером менее 2 нм — критического рубежа в эпоху после закона Мура», — сказал доцент Лу.
Демонстрируя быстрый, масштабируемый и чистый метод производства UC-MAC, исследовательская группа проложила путь для перехода этого мощного нового материала из лаборатории в реальное применение.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура