Teknologi pengimbasan sinar-X konvensional telah berkhidmat dalam pelbagai sektor perindustrian dan perubatan sejak lebih satu abad yang lalu. Namun begitu, kebergantungan sistem tradisional ini kepada tiub pelepasan termionik iaitu proses yang memerlukan pemanasan filamen tungsten pada suhu melebihi 1,000 darjah Celsius, turut mewujudkan pelbagai kekangan dari segi fizikal dan teknikal. Selain memerlukan penggunaan tenaga yang tinggi dan menghasilkan haba berlebihan, sistem konvensional ini turut mempunyai jangka hayat komponen yang terhad serta kelajuan tindak balas yang agak perlahan akibat inersia terma.

Perkembangan ini mula berubah dengan pengenalan nanotiub karbon atau Carbon Nanotube (CNT), yang mencetuskan anjakan penting dalam reka bentuk alat pengimbas generasi baharu. Sebagai salah satu bahan maju dalam bidang nanoteknologi, CNT menawarkan keupayaan pemancaran elektron sejuk yang berpotensi menggantikan penggunaan filamen berhaba, sekali gus membolehkan pembinaan alat pengimbas yang lebih kompak, cekap tenaga dan berkuasa tinggi bagi kegunaan dalam bidang perubatan, keselamatan serta kawalan mutu industri.

Keupayaan CNT sebagai bahan asas pemancar elektron atau katod dalam tiub pengimbas sinar-X didorong secara langsung oleh struktur kimia dan susunan atomnya pada skala nanometer. Dari segi kimia, CNT terbentuk daripada kepingan grafin yang digulung membentuk struktur silinder, dengan setiap atom karbon terikat secara kovalen menerusi proses hibridisasi sp². Ikatan kovalen sp² karbon-karbon ini tergolong antara ikatan kimia paling stabil yang diketahui, sekali gus memberikan kestabilan mekanikal, kimia dan terma yang tinggi kepada nanotiub berkenaan.

Dalam struktur hibridisasi sp² ini, setiap atom karbon menyumbang tiga elektron valens untuk membentuk ikatan σ (sigma) yang kukuh dalam satah heksagon, manakala satu lagi elektron valens berada dalam orbital p yang tersebar sebagai awan elektron pi (delocalized π-cloud). Kehadiran awan elektron ini membolehkan elektron bergerak secara bebas di sepanjang tiub silinder dengan rintangan elektrik yang sangat rendah, satu fenomena yang dikenali sebagai penghantaran balistik (ballistic transport). Ciri kekonduksian elektrik yang tinggi ini penting bagi memastikan arus elektron dapat dialirkan secara berterusan tanpa banyak kehilangan tenaga dalam bentuk haba.

Selain itu, CNT turut mempunyai nisbah aspek yang sangat tinggi, dengan diameter dalam lingkungan satu hingga 10 nanometer, manakala panjangnya boleh mencapai skala mikrometer atau milimeter. Disebabkan nisbah aspek ini, hujung tiub CNT bertindak sebagai struktur yang amat tirus pada skala mikroskopik. Apabila medan elektrik dikenakan, kesan penumpuan medan berlaku pada hujung tirus tersebut (field enhancement factor), sekali gus membolehkan elektron diekstrak keluar daripada permukaan karbon menerusi mekanisme terowong kuantum pada suhu bilik tanpa memerlukan pemanasan haba. Proses ini dikenali sebagai pelepasan medan katod sejuk (Cold Cathode Field Emission).

Dalam sektor perubatan, pengimbas berasaskan CNT dilihat berpotensi membawa perubahan ketara kepada bidang diagnostik pemprosesan imej sinar-X dan tomografi berkomputer atau CT scan. Tiub pengimbas konvensional memerlukan gantri mekanikal yang berat untuk berputar di sekeliling badan pesakit bagi mengambil imej dari pelbagai sudut. Sebaliknya, katod sejuk CNT membolehkan pembinaan tatasusunan mikro-tiub sinar-X yang disusun secara statik dan boleh dihidupkan serta dimatikan secara digital dalam masa mikrosaat.

Teknologi ini dijangka membolehkan imbasan CT jantung diambil dengan lebih pantas tanpa artifak kabur akibat pergerakan denyutan jantung, di samping menyokong pembangunan alat mamografi tiga dimensi statik dan peranti sinar-X mudah alih yang ringan untuk kegunaan perkhidmatan kecemasan.

Bagi sektor kawalan keselamatan dan imigresen, teknologi imbasan CNT turut dijangka mengubah prosedur pemeriksaan bagasi dan kargo di lapangan terbang mahupun di pintu sempadan. Sistem pengimbas CNT berbilang alur berupaya menghasilkan imej tomografi tiga dimensi beresolusi tinggi secara masa nyata tanpa memerlukan bahagian mekanikal yang berputar. Ini membolehkan pegawai keselamatan mengesan bahan letupan, cecair berbahaya atau barang seludup dengan lebih tepat tanpa memerlukan penumpang mengeluarkan peranti elektronik daripada beg. Selain itu, keupayaan penembusan bertenaga tinggi turut membolehkan pemeriksaan kontena kargo dilakukan dengan lebih pantas tanpa mengganggu aliran logistik.

Dalam sektor perindustrian, khususnya bagi Ujian Tanpa Musnah atau Non-Destructive Testing (NDT), pengimbas mikro sinar-X berasaskan CNT turut digunakan secara meluas untuk pemeriksaan kualiti semikonduktor, litar bersepadu (IC) dan papan litar elektronik. Saiz titik fokus CNT yang amat kecil membolehkan imej mikroskopik dihasilkan bagi mengesan kecacatan pateri pada skala sub-mikron. Peranti ini turut digunakan dalam industri penerbangan dan automotif untuk memeriksa keretakan dalaman mikro pada komponen komposit gentian karbon dan bilah turbin tanpa merosakkan struktur fizikal asal.

Secara keseluruhan, penggunaan nanotiub karbon dalam alat pengimbas moden mewakili titik pertemuan penting antara asas sains kimia, fizik kuantum dan kejuruteraan canggih. Menerusi ikatan kovalen sp² yang stabil serta struktur geometri bernisbah aspek tinggi, CNT dilihat berjaya mengatasi sebahagian besar kekangan haba dan mekanikal yang dihadapi oleh tiub sinar-X konvensional. Dengan keupayaan pelepasan medan sejuk yang pantas dan tepat, teknologi ini bukan sahaja berpotensi meningkatkan kecekapan diagnostik perubatan dan kawalan keselamatan, malah turut membuka ruang kepada pelbagai inovasi baharu dalam pemantauan kualiti industri pada masa hadapan.

Oleh Mohd Syafiq Elias, Pensyarah, SPACE UTM