Что такое CZT, удивительный материал, который вызывает технологическую революцию (и почему его так сложно получить)

Лежать на спине в большом больничном сканере, не шевелясь, с руками над головой в течение 45 минут — не самое приятное занятие. Именно это приходилось делать пациентам лондонской больницы Royal Brompton Hospital во время определенных обследований легких, пока в прошлом году в больнице не установили новое устройство, сократившее время этих обследований до 15 минут. Отчасти это связано с технологией обработки изображений сканера, но также и со специальным материалом, известным как CZT (сокращение от английского названия теллурида кадмия и цинка), который позволяет аппарату создавать очень подробные трехмерные изображения легких пациентов. «С помощью этого сканера получаются прекрасные изображения», — утверждает доктор Кшама Вечалекар, заведующая отделением ядерной медицины и ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии). «Это настоящий подвиг инженерии и физики». CZT для аппарата, установленного в больнице в августе, был изготовлен британской компанией Kromek, одной из немногих в мире, которые могут его производить. Возможно, вы никогда не слышали о нем, но, по словам Вечалекар, он вызывает «революцию» в медицинской визуализации. Этот замечательный материал имеет также много других применений, например, в рентгеновских телескопах, детекторах радиации и сканерах безопасности в аэропортах. И он становится все более востребованным. Исследования легких пациентов, проведенные доктором Вечалекар и его коллеги предполагают, что у людей с длительным течением COVID-19 можно обнаружить множество мелких тромбов или один большой тромб, известный как легочная эмболия, например. Сканер, стоимостью в миллион фунтов стерлингов (около 1,4 миллиона долларов США), работает путем обнаружения гамма-излучения, испускаемого радиоактивным веществом, которое вводится в организм пациентов. Но чувствительность сканера означает, что требуется меньшее количество этого вещества, чем раньше. «Мы можем снизить дозы примерно на 30%», — утверждает доктор. Хотя сканеры на основе CZT в целом не являются новинкой, такие крупногабаритные сканеры всего тела, как этот, являются относительно недавней инновацией. CZT существует уже несколько десятилетий, но его производство является крайне сложным. «Потребовалось много времени, чтобы разработать его для промышленного производства», — говорит Арнаб Басу, исполнительный директор и основатель Kromek. На предприятии компании в Седжфилде, Англия, в одной комнате установлено 170 небольших печей, которые доктор Басу описывает это как «похожее на серверную ферму». В этих печах специальный порошок нагревается, плавится, а затем затвердевает, образуя монокристаллическую структуру. Весь процесс занимает несколько недель. «Атом за атомом кристаллы перестраиваются […] до тех пор, пока не выровняются полностью», — объясняет Басу. Вновь образованный CZT, полупроводник, может с невероятной точностью обнаруживать крошечные частицы фотонов в рентгеновских и гамма-лучах, как высокоспециализированная версия светочувствительного датчика изображения на основе кремния, который находится в камере вашего смартфона. Каждый раз, когда фотон высокой энергии попадает на CZT, он перемещает электрон, и этот электрический сигнал может быть использован для генерации изображения. В прежней технологии сканирования использовался двухэтапный процесс, который был не столь точным. «Это цифровой процесс, — уточняет Басу. — Это одноэтапное преобразование. Он сохраняет всю важную информацию, такую как синхронизация и энергия рентгеновских лучей, попадающих на детектор CZT; можно создавать цветные или спектроскопические изображения». Он добавляет, что сканеры на основе CZT в настоящее время используются для обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах Великобритании и для сканирования зарегистрированного багажа в некоторых аэропортах США. Мы надеемся, что CZT будет внедрен в сегмент ручной клади в ближайшие годы. Но не всегда легко достать CZT. Хенрик Кравчински из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) уже использовал этот материал ранее в космических телескопах, привязанных к высотных воздушным шарам. Эти детекторы могут улавливать рентгеновские лучи, излучаемые как нейтронными звездами, так и плазмой вокруг черных дыр. Профессору Кравчински для его телескопов нужны очень тонкие кусочки CZT толщиной 0,8 мм, так как это помогает уменьшить количество улавливаемого ими фонового излучения, что позволяет получить более четкий сигнал. «Мы хотели бы купить 17 новых детекторов», — говорит он. «Очень трудно найти такие тонкие». Kromek не смог ему помочь, поскольку, по словам Басу, его компания в настоящее время испытывает большой спрос. «Мы поддерживаем множество исследовательских организаций», — добавляет он. «Нам очень трудно заниматься сотней разных дел. Каждый исследовательский проект требует своего особого типа детектора. Для Кравчински это не кризис: он говорит, что для своей следующей миссии может использовать CZT, полученный в ходе предыдущих исследований, или альтернативный материал — теллурид кадмия. Однако в настоящее время есть более серьезные проблемы. Следующая миссия должна была стартовать из Антарктиды в декабре, но «все сроки меняются», говорит Кравчински, из-за закрытия правительства США в ноябре. Многие другие ученые используют CZT. В Великобритании значительная модернизация исследовательского центра Diamond Light Source (Источник алмазного света) в Оксфордшире улучшит его возможности благодаря установке детекторов на основе CZT. Diamond Light Source — это синхротрон, который запускает электроны по гигантскому кольцу со скоростью, близкой к скорости света. Магниты заставляют эти электроны, проносясь мимо, терять энергию в виде рентгеновских лучей, которые направляются из кольца в линии света, например, для анализа материалов. Некоторые недавние эксперименты включали анализ примесей в алюминии во время его плавления. Лучшее понимание этих примесей может помочь улучшить переработанные формы металла. С модернизацией Diamond Light Source, завершение которой запланировано на 2030 год, производимые рентгеновские лучи станут значительно ярче, а это означает, что существующие датчики не смогут их правильно обнаруживать. «Нет смысла тратить все эти деньги на улучшение этих установок, если невозможно обнаружить излучаемый ими свет», — говорит Мэтт Вил, руководитель группы по разработке детекторов в Совете по научным и технологическим установкам, заинтересованной стороне в проекте Diamond Light Source. Поэтому и здесь CZT является материалом выбора. Нажмите здесь, чтобы прочитать больше статей BBC News Mundo. Подпишитесь здесь на нашу новую рассылку, чтобы каждую пятницу получать подборку лучших материалов недели. Вы также можете следить за нами на YouTube, Instagram, TikTok, X, Facebook и на нашем канале WhatsApp. И не забывайте, что вы можете получать уведомления в нашем приложении. Загрузите последнюю версию и включите их.