I rilevatori di radiazioni utilizzati oggi per applicazioni come l’ispezione delle navi mercantili per materiali nucleari di contrabbando sono costosi e non possono funzionare in ambienti difficili, tra gli altri svantaggi. Ora, gli ingegneri del MIT hanno dimostrato un modo fondamentalmente nuovo di rilevare le radiazioni che potrebbe consentire rilevatori molto più economici e una miriade di nuove applicazioni.
Stanno collaborando con Radiation Monitoring Devices, un'azienda di Watertown, Massachusetts, per trasferire la ricerca il più rapidamente possibile ai prodotti rilevatori.
In un articolo del 2022 su Nature Materials , molti degli stessi ingegneri hanno riferito per la prima volta come la luce ultravioletta può migliorare significativamente le prestazioni delle celle a combustibile e di altri dispositivi basati sul movimento degli atomi carichi, piuttosto che sugli elettroni costituenti di tali atomi.
Nel lavoro attuale, appena pubblicato online in Advanced Materials , il team mostra che lo stesso concetto può essere esteso a una nuova applicazione:il rilevamento dei raggi gamma emessi dal decadimento radioattivo dei materiali nucleari.
"Il nostro approccio coinvolge materiali e meccanismi molto diversi da quelli dei rilevatori attualmente utilizzati, con vantaggi potenzialmente enormi in termini di costi ridotti, capacità di operare in condizioni difficili e lavorazione semplificata", afferma Harry L. Tuller, professore di ceramica di R.P. Simmons e Materiali elettronici presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT.
Tuller guida il lavoro con i principali collaboratori Jennifer L. M. Rupp, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali del MIT e ora professore ordinario di materiali elettrochimici presso l'Università tecnica di Monaco (TUM) in Germania, e Ju Li, professore della Battelle Energy Alliance in ingegneria nucleare e un professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Sono tutti anche affiliati al Laboratorio di ricerca sui materiali del MIT
"Dopo aver appreso i Materiali naturali lavoro, ho capito che lo stesso principio di base dovrebbe funzionare per il rilevamento dei raggi gamma—in effetti, potrebbe funzionare anche meglio della luce [UV] perché i raggi gamma sono più penetranti—e ho proposto alcuni esperimenti a Harry e Jennifer," dice Li.
Rupp afferma:"L'impiego di raggi gamma a corto raggio ci consente di estendere l'effetto opto-ionico a quello radio-ionico modulando i portatori ionici e i difetti alle interfacce materiali con quelli elettronici fotogenerati."
Altri autori dei Materiali avanzati articolo sono Thomas Defferriere, primo autore e associato post-dottorato al DMSE, e Ahmed Sami Helal, associato post-dottorato presso il Dipartimento di scienza e ingegneria nucleare del MIT.
La carica può essere trasportata attraverso un materiale in diversi modi. Conosciamo meglio la carica trasportata dagli elettroni che contribuiscono a formare un atomo. Le applicazioni comuni includono le celle solari. Ma ci sono molti dispositivi, come le celle a combustibile e le batterie al litio, che dipendono dal movimento degli atomi carichi, o ioni, stessi anziché solo dai loro elettroni.
I materiali alla base delle applicazioni basate sul movimento degli ioni, noti come elettroliti solidi, sono la ceramica. La ceramica, a sua volta, è composta da minuscoli granelli di cristallite che vengono compattati e cotti ad alte temperature per formare una struttura densa. Il problema è che gli ioni che viaggiano attraverso il materiale sono spesso ostacolati ai confini tra i grani.
Nel loro articolo del 2022, il team del MIT ha dimostrato che la luce ultravioletta colpita da un elettrolita solido provoca essenzialmente perturbazioni elettroniche ai confini dei grani che alla fine abbassano la barriera che gli ioni incontrano a quei confini. Il risultato:"Siamo stati in grado di aumentare il flusso degli ioni di un fattore tre", afferma Tuller, creando un sistema molto più efficiente.
All'epoca, il team era entusiasta del potenziale di applicazione di ciò che aveva scoperto a sistemi diversi. Nel lavoro del 2022, il team ha utilizzato la luce ultravioletta, che viene rapidamente assorbita molto vicino alla superficie di un materiale. Di conseguenza, quella tecnica specifica è efficace solo su film sottili di materiali. (Fortunatamente, molte applicazioni di elettroliti solidi coinvolgono film sottili.)
La luce può essere pensata come particelle – fotoni – con diverse lunghezze d’onda ed energie. Questi vanno dalle onde radio a bassissima energia ai raggi gamma ad altissima energia emessi dal decadimento radioattivo dei materiali nucleari. La luce visibile e la luce ultravioletta hanno energie intermedie e si collocano tra i due estremi.
La tecnica del MIT riportata nel 2022 funzionava con la luce ultravioletta. Funzionerebbe con altre lunghezze d’onda della luce, aprendo potenzialmente nuove applicazioni? Sì, il team l'ha trovato.
Nel presente articolo mostrano che i raggi gamma modificano anche i confini dei grani determinando un flusso più veloce di ioni che, a loro volta, possono essere facilmente rilevati. E poiché i raggi gamma ad alta energia penetrano molto più profondamente della luce ultravioletta, "questo estende il lavoro alle ceramiche sfuse poco costose oltre ai film sottili", afferma Tuller. Permette anche una nuova applicazione:un approccio alternativo al rilevamento di materiali nucleari.
Gli odierni rilevatori di radiazioni all'avanguardia dipendono da un meccanismo completamente diverso da quello identificato nel lavoro del MIT. Si basano su segnali derivati dagli elettroni e dalle loro controparti, le lacune, piuttosto che dagli ioni.
Ma questi portatori di carica elettronici devono percorrere distanze relativamente grandi verso gli elettrodi che li "catturano" per creare un segnale. E lungo il percorso possono essere facilmente persi poiché, ad esempio, colpiscono le imperfezioni di un materiale. Ecco perché i rilevatori di oggi sono realizzati con singoli cristalli di materiale estremamente puri che consentono un percorso senza ostacoli. Possono essere realizzati solo con determinati materiali e sono difficili da elaborare, il che li rende costosi e difficili da adattare a dispositivi di grandi dimensioni.
Al contrario, la nuova tecnica funziona a causa delle imperfezioni – grani – del materiale. "La differenza è che noi facciamo affidamento sulla modulazione delle correnti ioniche ai confini dei grani rispetto allo stato dell'arte che si basa sulla raccolta di portanti elettronici da lunghe distanze", afferma Defferriere.
Rupp ha affermato:"È notevole che i" grani "sfusi dei materiali ceramici testati abbiano rivelato un'elevata stabilità della chimica e della struttura nei confronti dei raggi gamma, e solo le regioni al confine dei grani hanno reagito nella ridistribuzione della carica dei portatori e dei difetti maggioritari e minoritari." /P>
Li ha aggiunto:"Questo effetto radiazione-ionica è distinto dai meccanismi convenzionali per il rilevamento delle radiazioni in cui vengono raccolti elettroni o fotoni. Qui viene raccolta la corrente ionica."
Igor Lubomirsky è professore presso il Dipartimento di Materiali e Interfacce presso l'Istituto Weizmann di Scienze, Israele. Lubomirsky, che non era coinvolto nel lavoro attuale, ha detto:"Ho trovato molto fruttuoso l'approccio seguito dal gruppo del MIT nell'utilizzare conduttori di ioni di ossigeno policristallini data la promessa [dei materiali] di fornire un funzionamento affidabile sotto irradiazione nelle dure condizioni previste in reattori nucleari in cui tali rilevatori spesso soffrono di affaticamento e invecchiamento [inoltre] beneficiano di costi di fabbricazione molto ridotti."
Di conseguenza, gli ingegneri del MIT sperano che il loro lavoro possa portare alla creazione di nuovi rilevatori meno costosi. Ad esempio, immaginano che i camion carichi di merci provenienti da navi portacontainer attraversino una struttura dotata di rilevatori su entrambi i lati mentre lasciano un porto.
"Idealmente avresti una serie di rilevatori o un rilevatore molto grande, ed è qui che [i rilevatori di oggi] non si adattano molto bene", afferma Tuller.
Un’altra potenziale applicazione riguarda l’accesso all’energia geotermica, o al calore estremo sotto i nostri piedi, che viene esplorato come alternativa priva di carbonio ai combustibili fossili. I sensori in ceramica alle estremità delle punte del trapano potrebbero rilevare sacche di calore (radiazioni) verso cui perforare. La ceramica può facilmente resistere a temperature estreme di oltre 800 gradi Fahrenheit e alle pressioni estreme presenti nelle profondità sotto la superficie terrestre.
Il team è entusiasta di ulteriori applicazioni per il proprio lavoro. "Questa è stata una dimostrazione di principio con un solo materiale", afferma Tuller, "ma esistono migliaia di altri materiali capaci di condurre ioni."
Defferriere conclude:"È l'inizio di un viaggio nello sviluppo della tecnologia, quindi c'è molto da fare e molto da scoprire."
Ulteriori informazioni: Thomas Defferriere et al, Rilevazione di raggi gamma di ossido policristallino basato sulla conduzione ionica – Effetti delle radiazioni ioniche, Materiali avanzati (2024). DOI:10.1002/adma.202309253
Informazioni sul giornale: Materiali naturali , Materiali avanzati
Fornito da Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
