Prendendo ispirazione da una fonte insolita, un team dei Sandia National Laboratories ha notevolmente migliorato la scienza degli scintillatori, oggetti che rilevano le minacce nucleari. Secondo la squadra, l'uso di scintillatori di vetro organici potrebbe presto rendere ancora più difficile il contrabbando di materiali nucleari attraverso i porti e le frontiere dell'America.

Il team di Sandia Labs ha sviluppato uno scintillatore realizzato con un vetro organico che è più efficace del più noto materiale di rilevamento delle minacce nucleari, pur essendo molto più facile ed economico da produrre.

Il vetro organico è un materiale a base di carbonio che può essere fuso e non diventa torbido o cristallizza dopo il raffreddamento. I risultati positivi dei test del team del progetto Defence Nuclear Nonproliferation sugli scintillatori di vetro organici sono descritti in un articolo pubblicato questa settimana in Il Giornale della Società Chimica Americana .

Lo scienziato dei materiali e ricercatore principale di Sandia Labs Patrick Feng ha iniziato a sviluppare classi alternative di scintillatori organici nel 2010. Feng ha spiegato che lui e il suo team hanno deciso di "rafforzare la sicurezza nazionale migliorando il rapporto costo-prestazioni dei rilevatori di radiazioni in prima linea in tutti materiale che si sposta nel paese". Per migliorare tale rapporto, la squadra aveva bisogno di colmare il divario tra i migliori, il più luminoso, materiale scintillatore più sensibile e i costi inferiori di materiali meno sensibili.

L'ispirazione dai diodi emettitori di luce porta a un aumento delle prestazioni

Il team ha progettato, sintetizzato e valutato nuove molecole scintillatori per questo progetto con l'obiettivo di comprendere la relazione tra le strutture molecolari e le risultanti proprietà di rivelazione delle radiazioni. Hanno fatto progressi trovando scintillatori in grado di indicare la differenza tra materiali nucleari che potrebbero essere potenziali minacce e normali, fonti di radiazioni non pericolose, come quelli usati per le cure mediche o le radiazioni naturalmente presenti nella nostra atmosfera.

Il team ha riferito per la prima volta sui vantaggi dell'utilizzo del vetro organico come materiale scintillatore nel giugno 2016. Il chimico organico Joey Carlson ha affermato che ulteriori scoperte sono diventate davvero possibili quando si è reso conto che gli scintillatori si comportano in modo molto simile ai diodi emettitori di luce.

Con LED, una sorgente e una quantità note di energia elettrica vengono applicate a un dispositivo per produrre una quantità di luce desiderata. In contrasto, gli scintillatori producono luce in risposta alla presenza di un materiale sorgente di radiazioni sconosciuto. A seconda della quantità di luce prodotta e della velocità con cui la luce appare, la fonte può essere identificata.

Nonostante queste differenze nei modi in cui operano, sia i LED che gli scintillatori sfruttano l'energia elettrica per produrre luce. Il fluoro è una molecola emettitrice di luce utilizzata in alcuni tipi di LED. Il team ha scoperto che era possibile ottenere le qualità più desiderabili:stabilità, trasparenza e luminosità, incorporando il fluorene nei loro composti scintillatori.

Spingendo oltre cristalli e plastica

Il materiale scintillatore gold standard negli ultimi 40 anni è stato la forma cristallina di una molecola chiamata trans-stilbene, nonostante un'intensa ricerca per sviluppare un sostituto. Il trans-stilbene è molto efficace nel distinguere due tipi di radiazioni:raggi gamma, che sono onnipresenti nell'ambiente, e neutroni, che provengono quasi esclusivamente da materiali a minaccia controllata come il plutonio o l'uranio. Il trans-stilbene è molto sensibile a questi materiali, producendo una luce brillante in risposta alla loro presenza.

Ma ci vuole molta energia e diversi mesi per produrre un cristallo trans-stilbene lungo solo pochi centimetri. I cristalli sono incredibilmente costosi, circa $ 1, 000 per pollice cubo, e sono fragili, quindi non sono comunemente usati nel campo.

Anziché, gli scintillatori più comunemente usati alle frontiere e ai porti di ingresso sono i materiali plastici. Sono relativamente poco costosi a meno di un dollaro per pollice cubo, e possono essere modellati in forme molto grandi, che è essenziale per la sensibilità dello scintillatore. Come ha spiegato Feng, "Più grande è il tuo rilevatore, più sensibile sarà, perché c'è una maggiore possibilità che le radiazioni lo colpiscano".

Nonostante questi aspetti positivi, la plastica non è in grado di distinguere in modo efficiente tra i tipi di radiazioni:per questo è necessario un tubo dell'elio separato. Il tipo di elio utilizzato in questi tubi è raro, non rinnovabile e aumenta notevolmente il costo e la complessità di un sistema di scintillazione plastica. E la plastica non è particolarmente brillante, a soli due terzi dell'intensità del trans-stilbene, il che significa che non rilevano bene le fonti di radiazioni deboli.

Per queste ragioni, Il team di Sandia Labs ha iniziato a sperimentare con gli occhiali organici, che sono in grado di discriminare tra i tipi di radiazioni. Infatti, Il team di Feng ha scoperto che gli scintillatori di vetro superano anche il trans-stilbene nei test di rilevamento delle radiazioni:sono più luminosi e migliori nel discriminare tra i tipi di radiazioni.

Un'altra sfida:i composti di vetro iniziali realizzati dal team non erano stabili. Se i bicchieri si sono surriscaldati troppo a lungo, si cristallizzerebbero, che ha influito sulle loro prestazioni. Il team di Feng ha scoperto che la miscelazione di composti contenenti fluorene con le molecole di vetro organico li ha resi indefinitamente stabili. I vetri stabili potevano poi essere anche fusi e colati in grossi blocchi, che è un processo più semplice e meno costoso rispetto alla produzione di plastica o trans-stilbene.

Dal laboratorio ai porti

Il lavoro finora mostra una stabilità indefinita in un laboratorio, il che significa che il materiale non si degrada nel tempo. Ora, il prossimo passo verso la commercializzazione è la colata di un prototipo di scintillatore di vetro organico molto grande per i test sul campo. Feng e il suo team vogliono dimostrare che gli scintillatori di vetro organici possono resistere all'umidità e ad altre condizioni ambientali che si trovano nei porti.

La National Nuclear Security Administration ha finanziato il progetto per altri due anni. Questo dà al team il tempo di vedere se è possibile utilizzare gli scintillatori di vetro organici per soddisfare ulteriori esigenze di sicurezza nazionale.

Andando avanti, Feng e il suo team hanno anche in programma di sperimentare con il vetro organico fino a quando non sarà in grado di distinguere tra fonti di raggi gamma non minacciose e quelle che possono essere utilizzate per fabbricare bombe sporche.