Un team di ricerca della Northwestern University e dell'Argonne National Laboratory ha sviluppato un eccezionale materiale di nuova generazione per il rilevamento delle radiazioni nucleari che potrebbe fornire un'alternativa significativamente meno costosa ai rilevatori attualmente in uso commerciale.

Nello specifico, il materiale ad alte prestazioni viene utilizzato in un dispositivo in grado di rilevare i raggi gamma, segnali deboli emessi da materiali nucleari, e può facilmente identificare i singoli isotopi radioattivi. Sono passati più di 30 anni da quando è stato sviluppato un materiale con queste prestazioni, con il nuovo materiale che ha il vantaggio di una produzione economica.

I potenziali usi del nuovo dispositivo includono rilevatori più diffusi, inclusi quelli portatili, per armi e materiali nucleari, nonché applicazioni nell'imaging biomedico, astronomia e spettroscopia.

"I governi del mondo vogliono un rapido, modo a basso costo per rilevare i raggi gamma e le radiazioni nucleari per combattere le attività terroristiche, come il contrabbando e le bombe sporche, e la proliferazione di materiali nucleari, " ha detto Mercouri G. Kanatzidis della Northwestern, il corrispondente autore dell'articolo. "Questo è stato un problema molto difficile da risolvere per gli scienziati. Ora abbiamo un nuovo entusiasmante dispositivo a semiconduttore che è poco costoso da realizzare e funziona bene a temperatura ambiente".

Kanatzidis è un professore di chimica di Charles E. ed Emma H. ​​Morrison al Weinberg College of Arts and Sciences. Ha un appuntamento con Argonne.

La ricerca è stata pubblicata questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Nel 2013, Argonne ha pubblicato uno studio scientifico osservando la promessa del bromuro di piombo di cesio sotto forma di cristalli di perovskite per il rilevamento delle radiazioni ad alta energia. Da allora, ricercatori guidati da Kanatzidis, Duck Young Chung di Argonne e Constantinos Stoumpos di Northwestern hanno lavorato per purificare e migliorare il materiale.

La svolta è arrivata quando Yihui He, un borsista post-dottorato nel gruppo di Kanatzidis e primo autore del documento, ha preso il materiale migliorato e ha riconfigurato il dispositivo a semiconduttore. Invece di usare lo stesso elettrodo su entrambi i lati del cristallo, ha usato due elettrodi diversi. Con questo design asimmetrico, il dispositivo conduce elettricità solo in presenza di raggi gamma.

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni del loro nuovo rilevatore di bromuro di cesio piombo con il rilevatore convenzionale di tellururo di cadmio e zinco (CZT) e hanno scoperto che si è comportato altrettanto bene nel rilevare i raggi gamma ad alta risoluzione dal cobalto-57.

"Abbiamo ottenuto le stesse prestazioni in due anni di ricerca e sviluppo di altri in 20 anni con il tellururo di cadmio e zinco, il costoso materiale attualmente utilizzato, " disse Kanatzidis.

È importante sapere qual è il materiale che emette raggi gamma, Kanatzidis ha sottolineato, perché alcuni materiali sono legali e altri illegali. Ogni isotopo radioattivo possiede la propria "impronta digitale":un diverso comportamento di decadimento e uno spettro di emissione di raggi gamma caratteristico unico. Il nuovo rilevatore di bromuro di piombo al cesio è in grado di rilevare queste impronte digitali.

Nello studio, i ricercatori hanno scoperto che il rivelatore ha identificato con successo gli isotopi radioattivi americio-241, cobalto-57, cesio-137 e sodio-22. I ricercatori hanno anche prodotto campioni di cristallo più grandi per dimostrare che il materiale può essere ridimensionato.

Il documento è intitolato "Elevata risoluzione spettrale dei raggi gamma a temperatura ambiente da cristalli singoli di perovskite CsPbBr".