Φυσικούς κυματιστές από ακουστικά νανοδιαμορφωμένα υλικά δημιουργούν ερευνητές του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου στο Ρέθυμνο – Στόχος η παραγωγή ακτίνων Γ με επιλεγμένες ιδιότητες, κατάλληλες για ιατρικές εφαρμογές.
Όλοι όσοι έχουμε υποβληθεί σε ακτινογραφία ή αξονική τομογραφία, γνωρίζουμε τις ακτίνες Χ και αντιλαμβανόμαστε το πόσο χρήσιμη είναι στην ιατρική η δυνατότητα παραγωγής ακτινοβολίας με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Αυτός είναι και ο στόχος ενός φιλόδοξου ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος, του TECHNO CLS.
Μόνο που στην προκειμένη περίπτωση η παραγωγή ακτινοβολίας με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά δεν αφορά τις ακτίνες Χ αλλά την υψηλότερη ενεργειακά μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τις ακτίνες γ. Κομβικής σημασίας στο πρόγραμμα TECHNOCLS, χρηματοδοτούμενο από το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Ερευνας και Καινοτομίας, είναι η ελληνική συμμετοχή, καθώς οι ερευνητές του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος & Laser (IPPL) του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (ΕΛΜΕΠΑ) στο Ρέθυμνο ερευνούν το πώς θα μπορέσουν να «τιθασεύσουν» τα χαρακτηριστικά των ακτίνων γ με έναν μοναδικό τρόπο. Το ΒΗΜΑ-Science μίλησε με τον επιστημονικό υπεύθυνο της ελληνικής ερευνητικής ομάδας, καθηγητή Φυσικής του ΕΛΜΕΠΑ Νεκτάριο Παπαδογιάννη, για να πληροφορηθούμε τις λεπτομέρειες.
Οι «ακριβές» ακτίνες γ «Στο ηλεκτρομαγνητικό ενεργειακό φάσμα οι ακτίνες γ βρίσκονται ενεργειακά πολύ ψηλότερα από το ορατό φως και πάνω από τις γνωστές ακτίνες Χ. Παράγονται από φυσικές διεργασίες στη Γη και στο Σύμπαν, όπως είναι η διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων, ή οι αστρικές εκρήξεις, ενώ αποτελούν κομμάτι της κοσμικής ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να παράξει και επιπλέον ακτίνες γ από την αλληλεπίδραση σωματιδίων υψηλής ενέργειας με την ατμόσφαιρα της Γης.
Τέλος, μπορούν να παραχθούν και τεχνητά σε επιταχυντές σωματιδίων με μαγνητικό κυματισμό αλλά και με χρήση τεχνητά ενεργοποιημένων ραδιενεργών ισοτόπων. Αυτές οι τεχνητά παραγόμενες ακτίνες γ χρησιμοποιούνται ήδη στην ιατρική και ειδικότερα στην ακτινοθεραπεία για την αντιμετώπιση του καρκίνου. Χάρη στην εξαιρετικά υψηλή ενέργεια των φωτονίων γ, τα μόρια του DNA των καρκινικών κυττάρων ιονίζονται, με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η ανάπτυξη και η αναπαραγωγή τους, οδηγώντας τελικά στην καταστροφή τους» εξήγησε ο κ. Παπαδογιάννης και συνέχισε: «Ωστόσο η τεχνητή παραγωγή ακτίνων γ με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά περιορίζεται από δύο κυρίως παράγοντες: από το γεγονός ότι οι κυματιστές (Undulators) σχετικιστικών ηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων είναι εξαιρετικά κοστοβόρες υποδομές με μαγνήτες τεραστίων διαστάσεων με πολύ περιορισμένη προσβασιμότητα, συγκεκριμένα σταθερά χαρακτηριστικά και χρηστικότητα, ενώ η χρήση ραδιενεργών ισοτόπων συνεπάγεται εξαιρετικά μειωμένη δυνατότητα ελέγχου και αλλαγής των χαρακτηριστικών της ακτινοβολίας που εκπέ- μπουν σύμφωνα με τις εξατομικευμένες ανάγκες».
Οι νανοκαμπάνες της ύλης Λύση στο διττό πρόβλημα που δημιουργούν οι παραπάνω περιορισμοί στοχεύει να δώσει το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα TECHNO-CLS (Emerging technologies for crystal-based gamma-ray light sources, Project 101046458 HORIZON PATHFINDER), μέσω μικροσκοπικοπικών, φθηνών και εύχρηστων τεχνολογικών διατάξεων βασισμένων σε φυσικούς κυματιστές από τους πυρήνες υλικών με μονο-κρυσταλλικές δομές. Με άλλα λόγια, το πρόγραμμα στοχεύει να παραγάγει αυστηρά ελεγχόμενη και εξαιρετικά ισχυρή (και ως εκ τούτου κατάλληλη για ιατρικές εφαρμογές ακριβείας) ακτινοβολία γ από πηγές φθηνές και εύχρηστες!
Τι ακριβώς κάνει όμως η ελληνική ομάδα στο έργο TECHNO-CLS και γιατί η δική της συμμετοχή είναι εξαιρετικά σημαντική στην πρόοδο του έργου; Με επιστημονικούς όρους οι έλληνες ερευνητές επιτυγχάνουν την ακουστική νανο-διαμόρφωση υλικών με υπερβραχείες ακτίνες laser αλλά και με υψίσυχνους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.
Για να αντιληφθεί κανείς το μέγεθος του εγχειρήματος αξίζει να σημειωθεί ότι οι Έλληνες ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν «ήχο» σε συχνότητες εκατομμυρίων έως δισεκατομμυρίων Hz (όταν ο ήχος που ακούμε είναι από 20 έως 20.000 Hz). Αυτός ο «ήχος» μπορεί να διαμορφώσει το κρυσταλλικό πλέγμα των υλικών σε ατομικό επίπεδο.
Όπως λέει χαριτολογώντας ο κ. Παπαδογιάννης: «Κατά κάποιον τρόπο μπορούμε να “κτυπήσουμε” τις νανοκαμπάνες της ύλης σε ατομικό επίπεδο και να διαμορφώσουμε με νανοακουστικά κύματα την ύλη σε νανοσκοπικό επίπεδο».
Από τη θεωρία στην πράξη Ο τρόπος που παρεμβαίνουν στην ύλη οι έλληνες ερευνητές επιτρέπει στις θεωρητικές προσομοιώσεις τη δημιουργία ακτίνων γ «κατά παραγγελία». Επιτρέπει δηλαδή τον ελεγχόμενο κυματισμό σχετικιστικών ηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων και εν τέλει τη δημιουργία ακτίνων γ, των οποίων τα χαρακτηριστικά (και ιδίως την ενέργειά τους) μπορούν να αλλάζουν κατά τη διαδικασία παραγωγής τους, προκειμένου αυτές να είναι κατάλληλες για επιλεγμένες χρήσεις. Ο κ. Παπαδογιάννης και οι συνεργάτες του είναι αισιόδοξοι για την έκβαση των πειραματισμών τους και ανυπομονούν για τη συνέχειά τους: «Τα αρχικά πειράματα στο IPPL έχουν εξαιρετική επιτυχία στη νανοακουστική διαμόρφωση κρυστάλλων. Επίσης εξαιρετική επιτυχία έχουν οι θεωρητικές προσομοιώσεις σε συνεργασία με τον επικεφαλής εταίρο. Αναμένουμε και την επιτυχή έκβαση νέων πειραμάτων που διεξάγονται στο IPPL αυτή τη στιγμή ώστε να μεταβούμε στον επιταχυντή ποζιτρονίων στο Mainz της Γερμανίας για να δοκιμάσουμε τα πρώτα πειράματα παραγωγής ακτίνων γ από κρυστάλλους ακουστικά διαμορφωμένους».
Αν όλα πάνε καλά, οι έρευνες του διεθνούς δικτύου επιστημόνων ίσως στο μέλλον μεταφραστούν σε κλινικά εργαλεία προς όφελος αναρίθμητων ασθενών.
TECHNO-CLS– Το φιλόδοξο πρόγραμμα και οι συμμετέχοντες
To TECHNO-CLS είναι ένα ερευνητικό έργο χρηματοδοτούμενο από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Καινοτομίας (EIC) στο πλαίσιο της εξαιρετικά ανταγωνιστικής δράσης HORIZON PATHFINDER που χρηματοδοτεί ελάχιστες, υψηλού ρίσκου ιδέες που βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογίας και από τις οποίες μπορούν να προκύψουν καινοτόμα προϊόντα και υπηρεσίες.
Το ερευνητικό έργο ξεκίνησε τον Ιούνιο του 2022 και θα διαρκέσει 5 χρόνια μέχρι τον Ιούνιο του 2027. Επικεφαλής εταίρος στο έργο είναι το MBN Research Center GGMBH της Φρανκφούρτης. Συμ- μετέχουν το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας (INFN), το Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος & Laser του ΕΛΜΕΠΑ (IPPL), το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Μέινζ στη Γερμανία, το European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) που εδρεύει στην Grenoble Γαλλίας και δύο ιταλικά πανεπιστήμια, της Φεράρα και της Πάντοβα. Τέλος, συμμετέχει ως συνεργαζόμενο το Πανεπιστήμιο του Κεντ του Ηνωμένου Βασιλείου.
Εκτός από τον κ. Παπαδογιάννη στην ελληνική ερευνητική ομάδα συμμετέχουν ακόμη από το ΕΛΜΕΠΑ ο διευθυντής του IPPL καθηγητής Μιχάλης Ταταράκης, οι καθηγητές Βασίλης Δημητρίου και Ευθύμιος Μπακαρέζος, ο επίκουρος καθηγητής Ευάγγελος Κασελούρης. Εξαιρετική είναι η συμμετοχή του νέου ερευνητή δρος Κωσταντίνου Καλέρη και του υποψήφιου διδάκτορα Εμμανουήλ Κανιολάκη-Καλούδη.
της Ιωάννας Σουφλέρη,
δημοσιεύτηκε στο BHMA Science
