Nový koncept urýchľovača častíc sľubuje revolúciu v medicíne

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Vedci navrhli koncept urýchľovača častíc veľkosti mikročipu.

• Využíva uhlíkové nanorúrky a laser na generovanie intenzívnych röntgenových lúčov.

• Táto technológia by mohla nahradiť synchrotróny veľké ako futbalové štadióny.

Keď sa povie „urýchľovač častíc“, väčšina ľudí si predstaví kolosálne zariadenia ako Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v CERNe s jeho 27-kilometrovým okruhom. Dokonca aj menšie, no stále kľúčové zariadenia známe ako synchrotrónové svetelné zdroje, sú obrovské štruktúry. Tie najmenšie z nich majú bežne veľkosť futbalového štadióna.

Tieto obrie stroje sú pre modernú vedu nenahraditeľné. Generujú extrémne intenzívne a presne cielené röntgenové lúče, ktoré vedcom umožňujú študovať štruktúru materiálov na atomárnej úrovni. Vďaka nim dokážeme analyzovať molekuly nových liekov, skúmať biologické tkanivá alebo vyvíjať nové polovodiče.

Ich gigantická veľkosť a náklady na výstavbu a prevádzku však znamenajú, že na svete ich existuje len niekoľko desiatok. Prístup k nim je vysoko súťaživý a obmedzený len na špičkové výskumné tímy.

Tím fyzikov pod vedením profesora Carstena Welscha z Univerzity v Liverpoole však nedávno navrhol koncept, ktorý by mohol túto paradigmu úplne zmeniť. Ich výskum, ktorý bol prijatý na publikovanie v prestížnom časopise Physical Review Letters, opisuje, ako by sa dal urýchľovač častíc schopný produkovať brilantné röntgenové lúče vtesnať do zariadenia veľkosti stola.

Kľúčové komponenty by sa dokonca mohli nachádzať na jedinom mikročipe. Zatiaľ čo tradičné urýchľovače používajú na zrýchľovanie častíc masívne magnety a rádiofrekvenčné vlny, tento nový koncept sa spolieha na úplne inú fyziku.

Jadro návrhu tvoria drobné štruktúry nazývané uhlíkové nanorúrky, ktoré sú ožiarené extrémne presnými impulzmi laserového svetla. Táto kombinácia by mala byť schopná generovať a zrýchľovať elektróny na veľmi krátkej vzdialenosti, čím by sa vytvoril zdroj röntgenového žiarenia porovnateľný so synchrotrónom, avšak s dramaticky menšími rozmermi.

Zdroj foto: 10.1103/cnym-16hc

Hoci je tento konkrétny návrh stále vo fáze konceptu, nie je to ojedinelý sen. Je súčasťou širšieho a veľmi aktívneho fyzikálneho trendu, ktorý sa snaží nahradiť magnety lasermi.

Paralelne prebieha intenzívny výskum v oblasti takzvaných dielektrických laserových urýchľovačov (DLA), ktoré majú rovnaký cieľ: vytvoriť „urýchľovač na čipe“. Tieto prístupy DLA využívajú lasery na vytvorenie extrémne silných elektrických polí v rámci kremíkových štruktúr.

Výskum ukazuje, že lasery môžu dosiahnuť gradienty zrýchlenia, ktoré sú o jeden až dva rády (teda 10- až 100-krát) vyššie ako pri konvenčných metódach. Hlavnou inžinierskou výzvou je nájsť materiály, či už kremík alebo uhlíkové nanorúrky, ktoré dokážu odolať obrovskej energii lasera potrebnej na zrýchlenie.

Potenciálny dosah tejto technológie je transformačný. Nejde len o zmenšenie veľkosti, ale o demokratizáciu prístupu. Ak by si každá nemocnica mohla dovoliť vlastný „stolný synchrotrón“, umožnilo by to okamžité a vysoko presné zobrazovanie tkanív alebo analýzu biopsií priamo na mieste.

Farmaceutické spoločnosti by mohli mať v každom laboratóriu zariadenie na rýchlu analýzu nových molekúl liekov, čo by exponenciálne urýchlilo vývoj. Univerzitné laboratóriá by už nemuseli čakať mesiace na pridelenie času vo vzdialenom národnom laboratóriu.

Táto technológia by presunula špičkový výskum z centralizovaného modelu niekoľkých gigantických centier na decentralizovaný model tisícov lokálnych laboratórií. Ak sa tento koncept podarí preniesť do praxe, mohlo by to v medicíne a materiálovej vede spustiť revolúciu porovnateľnú s vynálezom mikročipu pre výpočtovú techniku.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Miniaturizácia urýchľovačov častíc z veľkosti štadiónov na veľkosť stola by demokratizovala špičkový vedecký výskum. Umožnila by nemocniciam, univerzitám a súkromným laboratóriám prístup k nástrojom, ktoré sú dnes extrémne vzácne, čo by dramaticky urýchlilo inovácie v medicíne a vývoji nových materiálov.

^{Zdroj: phys.org foto: depositphotos.com}

Zobrazit Galériu