Organiska halvledare ska lägga grunden för en ny form av flexibla röntgendetektorer. Flexibiliteten öppnar för lägre strålnivåer och mer exakta avbildningar. Feng Gao leder projektet som ska resultera i en färdig pilotmodell inom fem år.
Projektanslag 2024
Flexible X-ray detectors based on novel high-Z covalent organic frameworks
Huvudsökande:
Feng Gao, professor i optoelektronik
Medsökande:
Linköpings universitet:
Mats Fahlman
Chalmers tekniska högskola:
Eva Olsson
Uppsala universitet:
Sascha Ott
Lärosäte:
Linköpings universitet
Beviljat anslag:
31 000 000 kronor under fem år
Röntgentekniken uppfanns redan i slutet av 1800-talet. I dag har den fått en bred spridning och används inom allt från säkerhetskontroller på flygplatser, till att inspektera sprickbildning i flygplan, och vid kvalitetskontroller av avancerade mikrochips.
Särskilt inom hälso- och sjukvården har Wilhelm Röntgens uppfinning fått en revolutionerande betydelse.
Men fortfarande krävs en relativt hög strålningsnivå för att ge en detaljerad bild av ett skadat knä eller en trasig fotled. Om själva röntgendetektorn kunde placeras närmare kroppen skulle röntgennivån kunna sänkas betydligt men fortfarande ge samma goda bildupplösning.
– Vissa skador gör det svårare att få en tydlig röntgenbild på grund av att dagens detektorer är rigida. Om vi kunde svepa detektorn kring en kroppsdel skulle det bli lättare att ställa en mer precis diagnos. Närheten till skadan gör det också möjligt att sänka strålningsnivån och lindra patienternas obehag, säger Feng Gao, professor i optoelektronik vid Linköpings universitet.
Organiska detektorer
Feng Gao leder ett projekt med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse där målet är att utveckla en ny form av röntgendetektor av organiska kolbaserade halvledare. Resultatet är ett plastliknande material som gör det möjligt att skapa tunn, böjbar och lätt elektronik.
Om en röntgendetektor kunde göras helt i organiska material så skulle den kunna lindas runt kroppen som ett bandage, berättar Feng Gao.
– Dilemmat är att organiska halvledare inte kan absorbera röntgenstrålar på samma effektiva sätt som dagens detektorer.
I dagens röntgenutrustning fångar och omvandlas röntgenstrålarna till bilder av styva och skrymmande oorganiska material. För att fånga upp röntgenstrålarna med organiska halvledare krävs att forskarna tillsätter ett tyngre grundämne.
Bly är ett av de mest effektiva ämnena för att fånga upp strålning, men det är samtidigt mycket giftigt. I stället planerar projektgruppen att använda andra och mer miljövänliga tunga grundämnen, som till exempel vismut.
Genom att integrera tunga grundämnen i organiska halvledare bibehålls flexibiliteten samtidigt som materialet får förmågan att fånga in röntgenstrålar.
– Den stora utmaningen är att hitta sätt att distribuera de tunga grundämnena helt jämnt i det organiska materialet. Vi måste nå en god kemisk balans mellan metallen och de organiska delarna.
Dagens röntgenbilder kan liknas vid traditionella negativbilder. De visar upp täta material, till exempel ben, som ljusa partier i bilden. De mörkare partierna motsvarar mjukvävnad som släpper igenom mer strålning till detektorn. För att skapa bilderna omvandlas strålningen till elektriska signaler som bygger upp bilden som avslöjar till exempel en bruten fot för den undersökande läkaren.
Starkt teamarbete
För att nå hela vägen till en flexibel röntgendetektor krävs ett starkt teamarbete, betonar Feng Gao.
– Nyckeln är att vi är fyra starka forskargrupper som kommer att arbeta mer eller mindre hand i hand med varandra.
Från Uppsala universitet deltar Sascha Otts forskargrupp bland annat med kunskap om vilka organiska material som är bäst att använda för att kunna skräddarsy de ljusfångande och elektriskt ledande egenskaperna. Eva Olssons forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola bidrar bland annat med att se till att tungmetallen verkligen sprids jämnt i materialet, med hjälp av specialiserad transmissionselektronmikroskopi.
Feng Gaos kollega Mats Fahlman vid Linköpings universitet har uppgiften att karaktärisera själva materialet, det vill säga att beskriva de optoelektroniska materialegenskaperna för att förstå hur de beter sig under olika förhållanden. Förutom att fånga upp röntgenstrålarna måste materialet kunna behålla sina goda strömledande egenskaper för att ge en tillräckligt högupplöst bild.
– Vi kommer att arbeta mycket nära varandra för att kunna ta gemensamma steg mot att kunna utveckla ett material med rätt egenskaper. Om vi lyckas så hoppas jag att vi kan visa upp en pilotprodukt redan efter fem år.
Billigare teknik
Tack vare användningen av organisk halvledare kan de flexibla detektorerna bli billigare att tillverka än dagens. Den organiska elektroniken byggs av kolbaserade molekyler vilket blir mer resurssnålt än att använda till exempel kisel.
– I en förlängning kan det också vara möjligt att skapa mönster i det organiska materialet som förstärker infångandet av röntgenstrålar. Men först måste vi lyckas skapa ett material med rätt egenskaper.
Lyckas forskarna ta fram ett material med hög absorptionsförmåga kan strålningsdosen minskas utan att bildens kvalitet påverkas. Det skulle betyda mycket för sjukvårdspersonal som i dag tvingas använda olika former av skyddsutrustning vid en undersökning eller helt lämna rummet.
– Som en del av projektet kommer vi att involvera medicinsk personal för att få veta vilken användning de ser av mer flexibla röntgendetektorer. Vi vill inte skapa ytterligare en apparat, utan utveckla en teknik som verkligen förbättrar vården, säger Feng Gao.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
