Multielement absorption-edge complementarity in liquid metal amalgams enables Pb-free, lightweight, and flexible X-ray shielding
Cette étude présente un amalgame de métal liquide sans plomb et flexible, composé d'une matrice Ga-In-Sn et de jusqu'à 27 éléments métalliques dispersés, qui élimine les fenêtres d'absorption faibles sur la plage de 1 à 100 keV, atteignant une efficacité de blindage 39 % supérieure à celle du plomb tout en maintenant ses performances sous déformation extrême.
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Les rayons X sont un outil puissant qui permet aux médecins de voir à l'intérieur du corps humain et aux ingénieurs d'inspecter l'intégrité des ponts et des avions. Cependant, cette énergie invisible est également dangereuse, capable d'endommager les tissus vivants et l'ADN. Pendant des décennies, la méthode standard pour bloquer ce rayonnement a été le plomb, un métal lourd et rigide qui a servi de bouclier d'or dans les hôpitaux et les milieux industriels. Bien qu'efficace, le plomb présente des inconvénients importants : il est toxique, assez lourd pour causer une fatigue physique au personnel médical portant des équipements de protection, et assez rigide pour se fissurer sous la contrainte. De plus, le plomb possède une faiblesse spécifique ; il n'est pas très efficace pour absorber les rayons X dans une certaine gamme d'énergie couramment utilisée en imagerie médicale, laissant une lacune dans la protection où les radiations peuvent encore passer. Les scientifiques recherchent depuis longtemps un matériau qui soit léger, flexible, non toxique et capable de stopper les radiations à tous les niveaux d'énergie sans ces lacunes.
Une équipe de chercheurs a mis au point un nouveau matériau qui répond à ces défis en transformant le concept de bouclier solide en un bouclier liquide. Au lieu de s'appuyer sur un seul élément comme le plomb, ils ont créé une substance épaisse, semblable à une pâte, obtenue en mélangeant un alliage de métaux liquides avec vingt-quatre métaux solides différents. Ce mélange, qu'ils appellent un amalgame de métal liquide, agit comme une matrice malléable qui peut être étalée sur des gants ou des tabliers. L'idée centrale derrière cette conception est d'utiliser les propriétés uniques de nombreux métaux travaillant ensemble. Chaque métal possède des niveaux d'énergie spécifiques où il est exceptionnellement efficace pour absorber les rayons X, un phénomène connu sous le nom de seuil d'absorption. Alors qu'un seul métal pourrait n'être efficace qu'à une ou quelques énergies spécifiques, la combinaison de vingt-quatre métaux différents crée une situation où il existe des centaines de ces points d'absorption répartis sur l'ensemble du spectre des énergies de rayons X. Cela garantit que, quelle que soit l'énergie des rayons X, il y a un métal dans le mélange prêt à l'arrêter, éliminant ainsi efficacement les points faibles trouvés dans les boucliers traditionnels en plomb.
Pour créer ce matériau, les chercheurs ont commencé par un alliage de métal liquide composé de gallium, d'indium et d'étain, qui reste liquide à température ambiante. Dans ce métal liquide, ils ont soigneusement dispersé vingt-quatre poudres de métaux solides, incluant des éléments comme l'or, le platine, le tungstène et le bismuth. Ils ont exclu les éléments toxiques ou radioactifs pour garantir la sécurité, se concentrant plutôt sur des métaux sûrs à manipuler et efficaces pour bloquer les radiations. Le résultat est une substance qui ressemble et ressemble à une pâte lourde, mais qui coule et s'étire comme un liquide épais. Parce que les particules de métal solide sont suspendues dans le liquide, le matériau peut être moulé pour s'adapter à n'importe quelle forme, d'un genou incurvé à un mur plat, sans se fissurer. Les chercheurs ont découvert que ce mélange contient 208 points distincts où il entre en résonance avec l'énergie des rayons X, un nombre dépassant largement les neuf points trouvés dans le plomb. Ce nombre massif de points d'absorption permet au matériau de bloquer les radiations beaucoup plus efficacement que le plomb de même poids.
Lorsque l'équipe a testé le matériau, elle a découvert qu'il était remarquablement efficace. Lors de simulations et de tests en conditions réelles utilisant des machines à rayons X médicales, le nouvel amalgame a bloqué nettement plus de radiations qu'une épaisseur équivalente de plomb. Plus précisément, il a réduit la quantité de radiations traversantes par une marge plus importante, montrant une amélioration de 39 % des performances de blindage par rapport au plomb de même masse. Peut-être plus important encore, le matériau a maintenu son pouvoir protecteur même lorsqu'il était étiré jusqu'à dix fois sa longueur originale ou plié de manière répétée. Contrairement aux boucliers flexibles traditionnels, qui utilisent souvent une base en plastique qui affaiblit la protection globale, ce mélange de métal liquide reste fort et efficace même lorsqu'il est déformé. Le matériau s'est également révélé stable sous des doses élevées de radiations et à différentes températures, ne montrant aucun signe de dégradation ou de perte de sa capacité à bloquer les rayons X.
L'impact potentiel de cette découverte a été démontré sur des organismes vivants. Lors d'expériences impliquant des souris, les chercheurs ont utilisé le nouveau matériau pour protéger les animaux d'une dose élevée de rayons X. Les résultats ont montré que les souris protégées par l'amalgame n'ont subi aucun dommage à l'ADN, ont maintenu des numérations de cellules sanguines normales et ne présentaient aucun signe de lésion tissulaire, tandis que les souris non protégées ont subi des dommages sévères. Le matériau était si efficace qu'il a réduit la dose de radiation atteignant les animaux à un niveau bien inférieur au seuil de cause de dommages directs. Au-delà du laboratoire, les chercheurs ont montré que ce matériau pouvait être facilement appliqué sur des gants et des tabliers médicaux standards. Ces nouveaux vêtements de protection seraient deux fois plus légers que l'équipement actuel à base de plomb, offrant une expérience beaucoup plus confortable pour les médecins et les patients tout en fournissant une protection supérieure. Ce travail suggère une nouvelle voie pour la sécurité radiologique, s'éloignant des métaux lourds et toxiques vers une solution flexible, légère et hautement efficace qui s'adapte à la forme du corps humain.
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