Kunstige diamanter fra DTU skal skabe billige MR-scannere
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Kunstige diamanter fra DTU skal skabe billige MR-scannere

Billedet viser en silicium-skive med polykrystallinsk diamant med tre små enkelt-krystallinske substrater oven på. Illustration: DTU/Kristian Hagsted Rasmussen

Kunstige diamanter kan om få år gøre hundedyre scannere meget billigere ved at udnytte deres evne til at måle magnetfelter præcist.

Det fortæller Kristian Hagsted Rasmussen, som er civilingeniør fra i fysik og nanoteknologi. Han benytter en second-hand ‘Chemical Vapour Deposition’-maskine til at skabe hjemmelavede diamanter med.

»Det er en måde at deponere materiale oven på et substrat under kontrollerede forhold. Man deponerer i enkelte lag af gangen. Der afsættes op mod nogle hundrede nanometer i minuttet i en kontinuerlig proces. Man gør det kemisk ved at tilføre en ‘primer,’ som for diamant er methan. Så laver man et plasma, hvor man får bundet kulstoffet på overfladen og brinten slipper kulstoffet,« siger Kristian Hagsted Rasmussen, der er forskningsingeniør ved DTU's nationale center for mikro- og nanofabrikation, DTU Danchip.

Læs også: Danske fysikere udnytter superposition-trick til at spotte kræft

Der er tale om ‘kold’ plasma, der skabes med elektriske eller magnetiske felter, som trækker elektronerne ud af molekylerne med en spænding. Det er en forholdsvis langsom proces, hvor man bruger meget lidt methan i forhold til brint.

»Problemet med diamant er, at afstanden mellem atomerne i diamantens krystalstruktur er forskellig fra de fleste andre materialer, vi kender. Og det er ikke lykkedes at dyrke enkelt krystallinsk diamant fra andet end diamant endnu. For at kunne dyrke diamant, skal man starte med diamant. Så danner det nye lag krystaller på samme måde som start-diamanten.«

Kunstige diamanter kan inden for få år bane vej for billigere scannere, mener Kristian Hagsted Rasmussen fra DTU. Illustration: Lisbeth Holten

Hvis man skal lave et enkelt krystal, starter man altså fra et enkelt krystal. Men man kan også lægge lag på og få et polykrystallinsk materiale – en masse små krystaller, der ligger op ad hinanden. Dette kan gøres på mange forskellige type substrater.

Diamanten gror tre mikrometer i timen

Polykrystallinsk materiale har andre egenskaber end det enkelt-krystallinske. Ved at sætte små nano-diamanter fast på substratet, kan man dyrke videre på dem. Man kan også bombardere overfladen på substratet på ioner. Det genererer punkter, hvor man kan starte diamant-dyrkningen.

»Lige nu kan vi dyrke polykrystallinsk diamant hele vejen oven på et substrat, der er fem cm i diameter – med tre mikrometer i timen. I teorien kan vi bare køre i lang tid, så kan vi dyrke 100 eller 200 mikrometer tyk diamant.«

Det er anderledes end det enkelt-krystallinske, hvor forskerne er begrænset af substraterne.

»Der har jeg indtil videre groet diamant på 2,5 x 2,5 mm. Købsprisen på substraterne stiger med størrelsen. Så vi bruger den mindste størrelse, så ofte som muligt.«

Diamant har flere gode egenskaber: Det er den bedste varmeleder, der kendes. I moderne elektronik skabes der meget varme, især i stærkstrøms-elektronik. Der gør diamant det godt, fordi man kan lede varmen væk – bedre end siliciumkarbid, som bruges i dag. Det er også godt til rumfartselektronik, da diamant er robust i forhold til kosmisk stråling.

Måler magnetfelter med lys

Men der er også andre anvendelser.

»Jeg arbejder sammen med DTU Fysik, som bruger diamanter i kvanteoptik. Man kan lave defekter i diamant, som består i at have nitrogen siddende ved siden af et hul i krystalstrukturen. Det kaldes for ‘nitrogen vacancy centers.’ De er følsomme for magnetfelter. Hvis du sender lys ind i diamanten, får du en anden bølgelængde ud, og på det lys, der kommer ud, kan man måle magnetfeltets størrelse og dets retning.«

Det har ansporet forskning på DTU, som handler om, at diamanterne kan anvendes til at måle magnetfelter omkring hjernen eller hjertet. Det kan måske også anvendes i forbindelse med MR-scannere i stedet for det her kæmpe udstyr, man har i dag.

»Det ville gøre MR-scannere billigere både i anvendelse og i drift. Man bruger store mængder køling og strøm, og jeg er overbevist om, at du ikke vil kunne sammenligne den mængde energi, der skal bruges på en lille diamant i forhold til en stor scanner.«

Det scenarie er blot nogle få år ude i fremtiden, spår Kristian Hagsted Rasmussen, der bakkes op af kollegerne på DTU Fysik.

Diamant er også meget stærkt, så man kan bruge det til at lave mikro-mekaniske systemer, så som AFM-nåle, der er en atom-agtig spids nål, man kan køre hen over overfladen på et emne. Det bruges til at måle ruhed på overflader og anvendes hyppigt i forskning.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Jeg ved ikke om der er en nyhed i ovenstående artikel. Kristian Hagsted Rasmussen arbejder med magnetiske målinger og optik:

»Jeg arbejder sammen med DTU Fysik, som bruger diamanter i kvanteoptik. Man kan lave defekter i diamant, som består i at have nitrogen siddende ved siden af et hul i krystalstrukturen. Det kaldes for ‘nitrogen vacancy centers.’ De er følsomme for magnetfelter. Hvis du sender lys ind i diamanten, får du en anden bølgelængde ud, og på det lys, der kommer ud, kan man måle magnetfeltets størrelse og dets retning.«

Måske er det her at nyheden er.

MR-scannere er i dag nogle dyre og store maskiner der bruger superledning til at måle de meget små magnetfelter. Hvis det kan gøres med lys - og uden superledning - så bliver de sikkert billigere. Og ikke mindst, så kan teknologien måske også bruges andre steder end i MR scannere. Et fald i prisen for målinger af ultra små magnetfelter, vil uden tvivl kunne medføre udvikling af ting, som vi endnu ikke har fantasi til at forestille sig.

Tror, at det er det utrolige i nyheden her.

  • 1
  • 0

"Kunstige diamanter fra DTU skal skabe billige MR-scannere"

»Det ville gøre MR-scannere billigere både i anvendelse og i drift. Man bruger store mængder køling og strøm, og jeg er overbevist om, at du ikke vil kunne sammenligne den mængde energi, der skal bruges på en lille diamant i forhold til en stor scanner.«

I en MR -scanner måler man ikke på det magnetiske felt, i en MR-scanner benytter man sig af et meget kraftigt statisk magnetfelt (B0) til at polarisere kernespin, typisk protoner i vandmolekyler, disse kan exiteres med en RF puls hvorefter man kan måle et elektromagnetisk signal mens de relaksere tilbage til deres hviletilstand ( Larmor precession), dette kaldes "free induction decay" eller fid.

Årsagen til at man benytte meget kraftige magnetfelter, er at signal støj forholdet på de målinger man foretager i en MR-scanner, følger magnetfelt styrken hvorunder målingerne er foretaget, jo kraftigere felt målingerne er foretaget i, jo bedre signal støj forhold kan man opnå i sine målinger.

Magnetfelt styrken (B0) har også inflydelse på den spatielle opløsning som man kan opnå i sine billeder, når man laver billeder ved hjælp af MRI ( Magnetic Resonance Imaging), jo kraftigere feltstyrke jo bedre opløsning kan man opnå i sine billeder.

Selv om man eventuelt vil kunne bruge diamant til at forbedre signal støj forholdet i MR målinger, kan man ikke slippe for at benytte sig af et kraftigt hoved felt (B0) for at opnå det grundlæggende fid signal i en tilstrækkelig høj kvalitet, og derved er der ingen penge at spare.

Hvis man ikke har noget magnetfelt (B0=0) har man ikke noget kerne spin. Kerne spinnet ( Larmor frekvens) i jordens magnet felt (~49uTesla) for protoner (vand) er på ca. 2.3 KHz. Kerne spinnet i en 9.4Tesla magnet er på ca. 400MHz.

Kunstige diamanter kan måske gøre magnetiske målinger billigere, bare ikke i MR sammenhæng.

Formentlig er der tale om at man kan gøre SQUID målinger billigere eller erstatte dem med diamant sensorer, i såkaldte magnetometre som også benytter sig af superledning, og at overskriften skyldes en manglende indsigt i forskellen på de to maskiner, en MR-scanner er ikke det samme som et Magnetometer.

Desværre kalder Siemens nogle af deres MR-scannere for "Magnetom" som måske kan foranledige nogle til at tro at der er tale om et Magnetometer, hvilket ikke er tilfældet.

--Palle

  • 1
  • 1

Hej Søren,

Super interessant artikel, men den ændrer ikke på min kritik af overskriften m.m.

Den artikel som du henviser til beskriver brugen at et magnetometer, hvilket jeg også antydede i mit indlæg, til at lave NMR spektroskopi, med en forbløffende høj følsomhed og tilsvarende høj spektral opløsning, men der er altså tale om et NMR spektrometer og ikke en MR-scanner.

En MR-scanner er billed dannende, hvorimod et NMR spektrometer udelukkende bruges til kemisk analyse af molekyler etc.

At man så normalt også kan lave spektroskopiske målinger på en MR-scanner er en anden sag, men de tåler ikke sammenligning med de spectre man får fra et NMR spektrometer, som har bedre signal støj forhold og højere spektral opløsning.

Det instrument som er beskrevet i artiklen er begrænset til kun at kunne måle på meget små volumener, 10 pico liter, og det er super interessant da man vil kunne lave kemiske analyser på enkelte celler, hvilket er uden for rækkevidde af MR-skannere og almindelige NMR spektrometre.

--Palle

  • 1
  • 1
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten