Multielement absorption-edge complementarity in liquid metal amalgams enables Pb-free, lightweight, and flexible X-ray shielding
本研究介绍了一种由镓-铟-锡基体和多达 27 种分散金属元素组成的柔性无铅液态金属共晶合金，该合金消除了在 1–100 keV 范围内的弱吸收窗口，在保持极端变形下性能的同时，实现了比铅高出 39% 的屏蔽效率。
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X射线是一种强大的工具，它让医生能够观察人体内部，也让工程师能够检查桥梁和飞机的完整性。然而，这种不可见的能量也是危险的，它能够破坏生物组织和DNA。几十年来，阻挡这种辐射的标准方式一直是铅，这是一种沉重、僵硬的金属，长期以来在医院和工业环境中充当着金牌盾牌的角色。虽然有效，但铅有显著的缺点：它具有毒性，重量足以给穿着防护装备的医护人员造成身体负担，而且由于其刚性，在压力下容易开裂。此外，铅有一个特定的弱点；它在医学成像中常用的特定能量范围内吸收X射线的能力并不强，这导致在防护方面留下了辐射仍能穿透的缺口。科学家们长期以来一直在寻找一种既轻便、灵活、无毒，又能在所有能量水平上阻挡辐射且没有这些缺口的材料。
一个研究小组开发出了一种新材料，通过将固态屏蔽的概念转化为液态屏蔽，解决了这些挑战。他们并没有依赖像铅这样的单一元素，而是创造了一种由液态金属合金与二十四种不同固体金属混合而成的厚实、类似糊状的物质。这种混合物被称为液态金属汞齐（liquid metal amalgam），它可以作为一种可塑的基质，涂抹在手套或围裙上。这种设计的核心思想是利用许多不同金属共同作用的独特属性。每种金属都有特定的能量水平，在这些水平下，它们吸收X射线的能力异常出色，这种现象被称为“吸收边”（absorption edge）。虽然单一金属可能仅在某一个或几个特定能量下有效，但将二十四种不同的金属结合在一起，就创造了一种在整个X射线能量谱中分布着数百个此类吸收点的局面。这确保了无论X射线的能量如何，混合物中总有一种金属准备好拦截它，从而有效地消除了传统铅屏蔽层中存在的薄弱环节。
为了制造这种材料，研究人员首先使用了一种由镓、�듐和锡组成的液态金属合金，这种合金在室温下保持液态。随后，他们将包括金、铂、钨和铋在内的二十四种固体金属粉末小心地分散到这种液体中。他们排除了有毒或放射性元素以确保安全性，转而专注于安全可处理且能有效阻挡辐射的金属。结果得到的是一种看起来和感觉起来都像重质糊状物，但流动性和拉伸性却像浓稠液体一样的物质。由于固体金属颗粒悬浮在液体中，该材料可以根据任何形状进行建模，无论是弯曲的膝盖还是平坦的墙壁，都不会发生开裂。研究人员发现，这种混合物包含208个与X射线能量产生共振的独特点，这一数字远超铅的九个点。如此大量的吸收点使得该材料在同等重量下比铅能更高效地阻挡辐射。
当团队测试这种材料时，他们发现它非常有效。在模拟实验和使用医疗X射线机的实地测试中，这种新型汞齐比同等厚度的铅阻挡了更多的辐射。具体而言，它在减少辐射穿透量方面比同质量的铅表现出更大的幅度，屏蔽性能提升了39%。或许最重要的一点是，即使在拉伸至原始长度的十倍或反复弯曲时，该材料仍能保持其防护能力。与通常使用会削弱整体防护能力的塑料底层的传统柔性屏蔽层不同，这种液态金属混合物在变形时依然保持强韧和有效。该材料在高温和高剂量辐射下也表现得十分稳定，没有出现破损或失去阻挡X射线能力的迹象。
这种发现对生物体的潜在影响在实验中得到了证实。在涉及小鼠的实验中，研究人员使用这种新材料来屏蔽动物免受高剂量X射线的照射。结果显示，受汞齐保护的小鼠没有遭受DNA损伤，维持了正常的血细胞计数，且没有表现出组织损伤的迹象；而未受保护的小鼠则遭受了严重伤害。该材料非常有效，它将到达动物身上的辐射剂量降低到了远低于引起直接损伤的阈值水平。除了实验室研究，研究人员还展示了这种材料可以轻松应用于标准的医疗手套和围裙。这些新型防护服的重量将仅为目前铅基装备的一半，在提供卓越防护的同时，也能为医生和患者带来更舒适的体验。这项工作表明，辐射安全领域正迈向一条新路径，即从沉重、有毒的金属转向一种灵活、轻便且高效的解决方案，使其能够适应人体形状的变化。
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