Multielement absorption-edge complementarity in liquid metal amalgams enables Pb-free, lightweight, and flexible X-ray shielding
تقدم هذه الدراسة سبيكة معدنية سائلة مرنة وخالية من الرصاص تتكون من مصفوفة من الغاليوم والإنديوم والقصدير وما يصل إلى 27 عنصراً معدنياً مشتتاً، تقضي على نوافذ الامتصاص الضعيفة عبر نطاق 1-100 كيلو إلكترون فولت، محققة كفاءة حجب أعلى بنسبة 39% من الرصاص مع الحفاظ على الأداء تحت التشوه الشديد.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تُعد الأشعة السينية أداة قوية تتيح للأطباء رؤية ما بداخل جسم الإنسان، وللمهندسين فحص سلامة الجسور والطائرات. ومع ذلك، فإن هذه الطاقة غير المرئية خطيرة أيضاً، إذ يمكنها إلحاق الضرر بالأنسجة الحية والحمض النووي (DNA). ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لحجب هذا الإشعاع هي الرصاص، وهو معدن ثقيل وصلب كان بمثابة الدرع الذهبي في المستشفيات والبيئات الصناعية. ورغم فعاليته، إلا أن للرصاص عيوباً كبيرة: فهو سام، وثقيل بما يكفي للتسبب في إجهاد بدني للطواقم الطبية التي ترتدي أدوات الوقاية، وصلب لدرجة تجعله يتشقق تحت الضغط. علاوة على على ذلك، يعاني الرصاص من نقطة ضعف محددة؛ فهو ليس جيداً جداً في امتصاص الأشعة السينية ضمن نطاق طاقة معين يُستخدم عادةً في التصوير الطبي، مما يترك فجوة في الحماية حيث يمكن للإشعاع المرور من خلالها. وقد سعى العلماء طويلاً لإيجحاد مادة تكون خفيفة، ومرنة، وغير سامة، وقادرة على إيقاف الإشعاع عبر جميع مستويات الطاقة دون هذه الفجوات.
لقد طور فريق من الباحثين مادة جديدة تعالج هذه التحديات عبر تحويل مفهوم الدرع الصلب إلى درع سائل. فبدلاً من الاعتماد على عنصر واحد مثل الرصاص، قاموا بإنشاء مادة سميكة تشبه المعجون عن طريق خلط سبيكة معدنية سائلة مع أربعة وعشرين معدناً صلباً مختلفاً. وتعمل هذه الخلطة، التي يسمونها "الملاط المعدني السائل"، كمصفوفة مرنة يمكن فردها على القفازات أو المآزر. وتتمثل الفكرة الأساسية وراء هذا التصميم في استخدام الخصائص الفريدة للعديد من المعادن وهي تعمل معاً. فلكل معدن مستويات طاقة محددة يكون فيها بارعاً بشكل استثنائي في امتصاص الأشعة السينية، وهي ظاهرة تُعرف باسم "حافة الامتصاص". وبينما قد يكون المعدن الواحد فعالاً عند طاقة واحدة أو بضع طاقات فقط، فإن الجمع بين أربعة وعشرين معدناً مختلفاً يخلق وضعاً يحتوي على مئات من نقاط الامتصاص هذه الموزعة عبر كامل طيف طاقات الأشعة السينية. وهذا يضمن أنه مهما كانت طاقة الأشعة السينية، فسيكون هناك معدن في الخليط جاهز لإيقافها، مما يلغي بفعالية نقاط الضعف الموجودة في دروع الرصاص التقليدية.
ولصنع هذه المادة، بدأ الباحثون بسبيكة معدنية سائلة مكونة من الغاليوم والإنديوم والقصدير، والتي تظل سائلة في درجة حرارة الغرفة. وفي هذا السائل، قاموا بتوزيع مساحيق أربعة وعشرين معدناً صلباً بعناية، بما في ذلك عناصر مثل الذهب والبلاتين والتنجستن والبزموت. وقد استبعدوا العناصر السامة أو المشعة لضمان السلامة، مركزين بدلاً من ذلك على معادن آمنة في التعامل وفعالة في حجب الإشعاع. والنتيجة هي مادة تبدو ملمسها مثل المعجون الثقيل، لكنها تتدفق وتتمدد مثل السائل الكثيف. ولأن جزيئات المعدن الصلبة معلقة داخل السائل، يمكن تشكيل المادة لتناسب أي شكل، من ركبة منحنية إلى جدار مسطح، دون أن تتشقق. وقد وجد الباحثون أن هذا الخليط يحتوي على 208 نقاط متميزة تتناغم مع طاقة الأشعة السينية، وهو رقم يتجاوز بكثير النقاط التسع الموجودة في الرصاص. وتسمح هذه الكتلة الهائلة من نقاط الامتصاص للمادة بحجب الإشعاع بكفاءة أكبر بكثير من الرصاص بنفس الوزن.
وعندما اختبر الفريق المادة، اكتشفوا أنها فعالة بشكل ملحوظ. ففي عمليات المحاكاة والاختبارات الواقعية باستخدام أجهزة الأشعة السينية الطبية، حجب الملاط الجديد كمية أكبر بكثير من الإشعاع مقارنة بسمك مكافئ من الرصاص. وتحديداً، قلل الملاط من كمية الإشعاع النافذ بهامش أكبر، مظهرًا تحسناً بنسبة 39 بالمئة في أداء الحجب مقارنة بالرصاص من نفس الكتلة. ولعل الأهم من ذلك هو أن المادة حافظت على قوتها الوقائية حتى عند تمديدها إلى عشرة أضعاف طولها الأصلي أو ثنيها بشكل متكرر. وعلى عكس الدروع المرنة التقليدية، التي غالباً ما تستخدم قاعدة بلاستيكية تضعف الحماية الإجمالية، يظل هذا الخليط المعدني السائل قوياً وفعالاً حتى عند تشكيله. كما أثبتت المادة استقرارها تحت جرعات عالية من الإشعاع وعبر درجات حرارة مختلفة، حيث لم تظهر أي علامات على التحلل أو فقدان قدرتها على حجب الأشعة السينية.
وقد تجلى التأثير المحتمل لهذا الاكتشاف في الكائنات الحية. ففي التجارب التي أجريت على الفئران، استخدم الباحثون المادة الجديدة لحماية الحيوانات من جرعة عالية من الأشعة السينية. وأظهرت النتائج أن الفئران التي حُميت بالملاط لم تعانِ من أي ضرر في الحمض النووي، وحافظت على مستويات طبيعية لخلايا الدم، ولم تظهر عليها أي علامات لإصابة الأنسجة، بينما عانت الفئرون غير المحمية من أضرار جسيمة. كانت المادة فعالة للغاية لدرجة أنها خفضت جرعة الإشععة التي تصل إلى الحيوانات إلى مستوى أقل بكثير من العتبة المسببة للضرر المباشر. وبعيداً عن المختبر، أظهر الباحثون أن هذه المادة يمكن تطبيقها بسهولة على القفازات والمآزر الطبية القياسية. ستكون ملابس الوقاية الجديدة هذه نصف وزن المعدات الحالية القائمة على الرصاص، مما يوفر تجربة أكثر راحة للأطباء والمرضى مع توفير حماية فائقة. ويشير هذا العمل إلى مسار جديد لأمان الإشعاع، بالانتقال من المعادن الثقيلة والسامة نحو حل مرن وخفيف الوزن وعالي الكفاءة يتكيف مع شكل جسم الإنسان.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.