在最近发表在《Scientific Reports》上的一篇文章中，研究人员调查了基于石墨烯的纳米复合材料（特别是石墨烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）复合材料）作为有效屏蔽伽马射线和 X 射线辐射的潜力。这项研究评估了它们在不同辐射能量水平下的屏蔽能力，并将其与铅和钨等传统材料进行了比较。
背景介绍
辐射屏蔽对于保护个人和设备免受电离辐射的伤害至关重要。传统的屏蔽材料（如铅）虽然有效，但却很重，限制了它们在对重量敏感的应用中的使用。
石墨烯是在二维晶格中排列的单层碳原子，因其卓越的机械、热和电特性而备受关注。当与 ABS 等聚合物结合时，石墨烯纳米复合材料有可能在保持轻质结构的同时增强辐射屏蔽。
以前的研究已经显示了石墨烯在电磁屏蔽方面的功效，但在本研究之前，还没有彻底研究过石墨烯在防止伽马射线和 X 射线等电离辐射方面的作用。
当前研究
该研究旨在评估石墨烯/ABS 复合材料的辐射屏蔽性能。采用溶液浇铸法将石墨烯薄片加入 ABS 基体中。首先，将石墨烯分散在溶剂中，形成均匀的悬浮液，然后逐渐加入 ABS。混合物经过机械搅拌以确保均匀性，然后浇注到模具中，在室温下固化。
辐射测量使用校准过的 X 射线发生器（型号 HF 320）和 Cs-137 放射源进行，发射的伽马光子能量分别为 122 keV、356 keV 和 662 keV。实验装置包括一个高纯锗探测器，探测器与样品保持一定距离，以保持实验条件的一致性。准备了不同厚度的样品，以评估材料密度对屏蔽效果的影响。
衰减系数根据记录的计数率计算得出，计数率测量的是通过样品传输的辐射强度。实验结果与 XCOM 光子截面数据库的理论预测进行了比较，该数据库模拟了光子与物质的相互作用。
还进行了统计和不确定性分析，以考虑探测器效率和源活动的变化，确保对石墨烯基纳米复合材料的屏蔽能力进行全面评估。
结果与讨论
结果表明，石墨烯/ABS 复合材料的屏蔽效率随辐射能量的不同而变化。在某些能量范围内，这些复合材料的性能优于传统的屏蔽材料，凸显了它们作为有效替代品的潜力。
通过计算质量和线性衰减系数，发现石墨烯基材料在特定光子能量下的衰减效果更佳。研究还强调了复合材料厚度的重要性，较厚的样品通常能提供更好的屏蔽效果。
实验结果与 XCOM 理论模型进行了验证，在预期的不确定性范围内显示出良好的一致性。然而，一些偏差，特别是在较高能量水平上的偏差，是由于测量技术的局限性造成的。
研究还比较了不同的实验室方法，指出探测器灵敏度和源活动的变化可能会影响结果。尽管存在这些差异，但石墨烯纳米复合材料的总体性能是一致的，这增强了它们作为可行的辐射屏蔽材料的潜力。
文章强调了这些研究结果的实际应用，尤其是在航空航天和医疗技术等对减重至关重要的行业。通过改变复合材料配方来调整屏蔽性能的能力为辐射防护领域的研究和开发提供了新的机遇。
结论
本研究证明了石墨烯基纳米复合材料作为有效屏蔽伽马射线和 X 射线辐射的潜力。研究强调了辐射衰减的能量依赖性，并表明石墨烯/ABS 复合材料在某些能量范围内的性能优于传统材料。
这些发现丰富了有关辐射防护先进材料的知识，表明基于石墨烯的解决方案可在未来的应用中发挥关键作用。
随着对轻质高效屏蔽材料需求的增加，进一步探索石墨烯复合材料对于充分优化其工业应用能力至关重要。本研究不仅介绍了用于辐射屏蔽的创新材料，还强调了继续研究石墨烯及其复合材料多功能特性的必要性。
期刊参考
Filak-Mędoń K., et al. (2024). Graphene-based nanocomposites as gamma- and X-ray radiation shield. Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-69628-5, https://www.nature.com/articles/s41598-024-69628-5
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