I ricercatori del MIT hanno dimostrato come si potrebbe migliorare l'efficienza degli scintillatori di almeno dieci volte modificando la superficie del materiale. Questa immagine mostra una griglia TEM su nastro adesivo, con il lato destro che mostra la scena dopo che è stata corretta. Crediti:Charles Roques-Carmes, Nicholas Rivera, Marin Soljacic, Steven Johnson e John Joannopoulos, e altri
Gli scintillatori sono materiali che emettono luce quando vengono bombardati con particelle ad alta energia o raggi X. Nei sistemi a raggi X medici o dentistici, convertono la radiazione di raggi X in entrata in luce visibile che può quindi essere catturata utilizzando pellicole o fotosensori. Sono utilizzati anche per i sistemi di visione notturna e per la ricerca, ad esempio nei rivelatori di particelle o nei microscopi elettronici.
I ricercatori del MIT hanno ora mostrato come si potrebbe migliorare l'efficienza degli scintillatori di almeno dieci volte, e forse anche di cento volte, modificando la superficie del materiale per creare determinate configurazioni su scala nanometrica, come matrici di creste simili a onde. Mentre i tentativi passati di sviluppare scintillatori più efficienti si sono concentrati sulla ricerca di nuovi materiali, il nuovo approccio potrebbe in linea di principio funzionare con qualsiasi materiale esistente.
Sebbene richiederà più tempo e sforzi per integrare i loro scintillatori nelle macchine a raggi X esistenti, il team ritiene che questo metodo potrebbe portare a miglioramenti nei raggi X diagnostici medici o nelle scansioni TC, per ridurre l'esposizione alla dose e migliorare la qualità dell'immagine. In altre applicazioni, come l'ispezione a raggi X di parti prodotte per il controllo di qualità, i nuovi scintillatori potrebbero consentire ispezioni con maggiore precisione oa velocità più elevate.
I risultati sono descritti nella rivista Scienza , in un articolo degli studenti di dottorato del MIT Charles Roques-Carmes e Nicholas Rivera; i professori del MIT Marin Soljacic, Steven Johnson e John Joannopoulos; e altri 10.
Sebbene gli scintillatori siano in uso da circa 70 anni, gran parte della ricerca nel campo si è concentrata sullo sviluppo di nuovi materiali che producono emissioni di luce più luminose o più veloci. Il nuovo approccio applica invece i progressi della nanotecnologia ai materiali esistenti. Creando modelli nei materiali dello scintillatore su una scala di lunghezza paragonabile alle lunghezze d'onda della luce emessa, il team ha scoperto che era possibile modificare drasticamente le proprietà ottiche del materiale.
Per realizzare quelli che hanno coniato "scintillatori nanofotonici", dice Roques-Carmes, "puoi creare modelli direttamente all'interno degli scintillatori, oppure puoi incollare un altro materiale che avrebbe dei buchi su scala nanometrica. Le specifiche dipendono dalla struttura e dal materiale esatti. " Per questa ricerca, il team ha preso uno scintillatore e ha praticato dei fori distanziati di circa una lunghezza d'onda ottica, ovvero circa 500 nanometri (miliardesimi di metro).
"La chiave di ciò che stiamo facendo è una teoria generale e una struttura che abbiamo sviluppato", afferma Rivera. Ciò consente ai ricercatori di calcolare i livelli di scintillazione che sarebbero prodotti da qualsiasi configurazione arbitraria di strutture nanofotoniche. Il processo di scintillazione stesso prevede una serie di passaggi, che lo rendono complicato da svelare. La struttura sviluppata dal team prevede l'integrazione di tre diversi tipi di fisica, afferma Roques-Carmes. Utilizzando questo sistema hanno trovato una buona corrispondenza tra le loro previsioni ei risultati dei loro esperimenti successivi.
Gli esperimenti hanno mostrato un miglioramento di dieci volte nell'emissione dallo scintillatore trattato. "Quindi, questo è qualcosa che potrebbe tradursi in applicazioni per l'imaging medico, che sono affamate di fotoni ottici, il che significa che la conversione dei raggi X in luce ottica limita la qualità dell'immagine. [Nell'imaging medico] non vuoi irradiare il tuo pazienti con troppi raggi X, soprattutto per lo screening di routine, e soprattutto per i pazienti giovani", afferma Roques-Carmes.
"Riteniamo che questo aprirà un nuovo campo di ricerca nella nanofotonica", aggiunge. "Puoi utilizzare molto del lavoro esistente e della ricerca che è stato fatto nel campo della nanofotonica per migliorare in modo significativo i materiali esistenti che scintillano."
Soljacic afferma che mentre i loro esperimenti hanno dimostrato che è possibile ottenere un miglioramento di dieci volte delle emissioni, perfezionando ulteriormente il design del modello su scala nanometrica, "dimostriamo anche che puoi ottenere fino a 100 volte [miglioramento], e crediamo di avere anche un percorso per renderlo ancora migliore", afferma.
Soljacic sottolinea che in altre aree della nanofotonica, un campo che si occupa di come la luce interagisce con i materiali strutturati su scala nanometrica, lo sviluppo di simulazioni computazionali ha consentito miglioramenti rapidi e sostanziali, ad esempio nello sviluppo di celle solari e LED . I nuovi modelli che questo team ha sviluppato per i materiali scintillanti potrebbero facilitare simili passi in avanti in questa tecnologia, afferma.
Le tecniche di nanofotonica "ti danno il massimo potere di adattare e migliorare il comportamento della luce", afferma Soljacic. "Ma fino ad ora, questa promessa, questa capacità di farlo con la scintillazione era irraggiungibile perché modellare la scintillazione era molto impegnativo. Ora, questo lavoro per la prima volta apre questo campo di scintillazione, lo apre completamente, per l'applicazione di tecniche di nanofotonica ." Più in generale, il team ritiene che la combinazione di nanofotonico e scintillatori potrebbe in definitiva consentire una risoluzione più elevata, una dose di raggi X ridotta e l'imaging a raggi X a risoluzione energetica.
Yablonovitch aggiunge che mentre il concetto deve ancora essere dimostrato in un dispositivo pratico, afferma che:"Dopo anni di ricerca sui cristalli fotonici nella comunicazione ottica e in altri campi, è da tempo che i cristalli fotonici dovrebbero essere applicati agli scintillatori, che sono di grande importanza pratica è stata tuttavia trascurata" fino a questo lavoro.
Il team di ricerca comprendeva Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan e Nicolas Romeo al MIT; Yang Yu presso Raith America, Inc.; e Ido Kaminer al Technion in Israele. Il lavoro è stato sostenuto, in parte, dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e dal Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti attraverso l'Istituto per le nanotecnologie dei soldati, dall'Ufficio di ricerca scientifica dell'Air Force e da una borsa di studio di ingegneria Mathworks. + Esplora ulteriormente
