Gli scienziati hanno fatto un passo avanti migliorando significativamente la nitidezza delle immagini a raggi X e potenzialmente aumentando la velocità con cui le scansioni a raggi X possono essere elaborate. Ciò pone le basi sia per una migliore imaging medico che per un'autorizzazione di sicurezza più rapida.
La chiave del progresso è uno strato d'oro aggiunto ai dispositivi che aiutano a visualizzare i raggi X.
I raggi X utilizzati nelle scansioni sanitarie e di sicurezza sono invisibili, ma possono essere visualizzati utilizzando rilevatori dotati di materiali "scintillanti" che assorbono la radiazione e "si illuminano" in un modo simile alla vernice fosforescente. La luce visibile emessa dai materiali scintillanti viene catturata da sensori per creare immagini basate sui raggi X. Più intensa è la luce, più nitide e dettagliate saranno le immagini.
I ricercatori, guidati dalla Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) e dal Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Centre for Technology Development in Polonia, hanno scoperto che l'aggiunta di uno strato d'oro ai materiali scintillanti rendeva la luce visibile emessa del 120% più luminosa. In media la luce emessa aveva un'intensità di circa 88 fotoni per kiloelettronvolt, dati dello studio pubblicato su Advanced Materials mostrato.
Di conseguenza, le immagini a raggi X prodotte erano, in generale, più nitide del 38% e la capacità di distinguere tra le diverse parti delle immagini era migliorata del 182%.
Con lo strato d’oro, anche il tempo impiegato dai materiali scintillanti per smettere di emettere luce dopo aver assorbito i raggi X è stato ridotto in media di 1,3 nanosecondi, o quasi del 38%, il che significa che erano pronti per il successivo ciclo di radiazioni più rapidamente. Ciò suggerisce il potenziale dell'oro per accelerare l'elaborazione delle scansioni a raggi X.
Questi aumenti possono essere spiegati perché l'oro è "plasmonico", il che significa che gli elettroni nel metallo reagiscono alle radiazioni muovendosi secondo schemi ondulatori sincronizzati, simili alle increspature che si formano dopo che un sassolino viene lasciato cadere nell'acqua.
Questi elettroni increspati, chiamati anche plasmoni, possono interagire con materiali scintillanti per accelerare l'emissione di luce visibile da parte dei materiali dopo che hanno reagito con i raggi X. Ciò fa sì che la luce emessa diventi più intensa.
Ciò contrasta con i materiali non plasmonici, i cui elettroni non interagiscono con la radiazione allo stesso modo. Di conseguenza, non si muovono in modo coordinato come un'onda e non accelerano l'emissione di luce visibile da parte dei materiali scintillanti.
Per la ricerca, gli esperimenti hanno utilizzato oro spesso solo 70 nanometri, ovvero circa 1.000 volte più sottile di una ciocca di capelli. L'uso di un sottile strato d'oro aiuta a contenere i costi dei materiali e mantiene compatte le dimensioni dei futuri rilevatori di raggi X.
I ricercatori hanno aggiunto lo strato d'oro plasmonica a un materiale scintillante chiamato bromuro di piombo butilammonio, della famiglia di composti "perovskite". Le perovskiti sono note per la loro capacità di convertire la luce solare in elettricità nelle celle solari.
Questo studio "nanoplasmonico" è stato condotto in collaborazione tra la CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, un laboratorio di ricerca congiunto franco-singaporeano con sede a NTU; Institut Lumière Matière CNRS con sede presso l'Université Claude Bernard Lyon 1 in Francia; e il Nano Center Indonesia.
Wong Liang Jie, professore assistente di Nanyang, co-responsabile dello studio presso la Scuola di ingegneria elettrica ed elettronica della NTU Singapore, ha dichiarato:"I nostri risultati evidenziano l'enorme potenziale della nanoplasmonica nell'ottimizzazione dei sistemi di imaging ultraveloci dove sono necessari un'elevata risoluzione spaziale e un elevato contrasto, come ad esempio come bioimaging a raggi X e microscopia."
Il Prof. Asst Wong ha affermato che i miglioramenti nel rilevamento dei raggi X dimostrati dallo studio andranno a vantaggio anche dei controlli di sicurezza aeroportuali, poiché gli oggetti nei bagagli potrebbero essere rilevati più facilmente con immagini a raggi X più nitide e di qualità superiore, mentre i bagagli potrebbero essere controllati di più rapidamente.
Il dottor Muhammad Danang Birowosuto, co-responsabile dello studio presso il Centro polacco per lo sviluppo tecnologico della rete di ricerca Lukasiewicz-PORT ed ex ricercatore della NTU, ha affermato:"La combinazione di questo miglioramento con altre tecnologie si tradurrà in funzionalità all'avanguardia nel campo delle radiazioni imaging, ad esempio per migliorare l'analisi dei raggi X eseguita a colori o migliorare la precisione dell'imaging medico a raggi X "in tempo di volo".
Un portavoce della multinazionale Thales ha affermato che "l'idea di combinare i fenomeni fisici delle strutture fotoniche - strutture che cambiano il comportamento della luce - con materiali scintillanti per rilevatori di raggi X rappresenta un concetto interessante per aumentare l'efficienza dell'attuale generazione di rilevatori. "
"Thales continua a monitorare i progressi scientifici in questo settore con grande interesse e accoglie con favore i progressi compiuti dall'Asst Prof. Wong in questo settore", ha aggiunto il portavoce.
L'ispirazione di utilizzare l'oro come materiale plasmonico insieme a materiali scintillanti è nata dal connubio di due aree di ricerca che non erano mai state esplorate prima per i rilevatori di raggi X.
I membri del gruppo di ricerca avevano precedentemente scoperto che, dopo che alcune sostanze assorbivano la luce visibile, emettevano anche luce visibile, che potrebbe diventare più luminosa se si aggiungesse oro plasmonica sottile su scala nanometrica.
All'epoca, anche altri membri del team, che studiano come le nanostrutture migliorano la generazione di raggi X, stavano lavorando al rilevamento dei raggi X.
Osservando i risultati dei nanoplasmoni, il team ha avuto un'idea:poiché il rilevamento dei raggi X negli scanner a raggi X dipende anche da sostanze che assorbono le radiazioni per emettere luce visibile, i materiali plasmonici su scala nanometrica potrebbero aumentare i rilevatori in questi scanner?
Gli scienziati hanno quindi deciso di dimostrarlo sperimentalmente con l'oro.
I ricercatori stanno pianificando di aggiungere modelli simili a tacche di dimensioni nanometriche sulla superficie dello strato d’oro per aumentare la luce visibile emessa dai materiali scintillanti che assorbono i raggi X, poiché ricerche precedenti hanno dimostrato che piccole tacche possono migliorare la produzione di luce visibile.
Il dottor Dennis Schaart, capo della sezione di fisica e tecnologia medica nel dipartimento di scienza e tecnologia delle radiazioni presso l'Università di Tecnologia di Delft nei Paesi Bassi, ha affermato che i risultati "aprono una nuova strada per il miglioramento dei rilevatori di immagini di radiazioni basati su scintillatori".
Gli scintillatori convertono i fotoni dei raggi X o gamma in segnali luminosi misurabili per applicazioni come l'imaging medico nelle scansioni di tomografia computerizzata (CT), test non distruttivi come quelli per il controllo della qualità nella produzione industriale e autorizzazioni di sicurezza utilizzando scanner per bagagli aeroportuali.
Il dottor Schaart, che ricerca nuove tecnologie per l'imaging medico e la radioterapia oncologica e non è stato coinvolto nello studio, ha affermato che i limiti prestazionali dei meccanismi di scintillazione comunemente noti sono prossimi a essere raggiunti. Ma rimane una domanda persistente per soluzioni ancora migliori.
"I risultati presentati in quest'ultima ricerca aprono la strada verso una nuova classe di rilevatori a scintillazione in cui l'intensità e la velocità dell'emissione della luce vengono migliorate attraverso la manipolazione di fenomeni quantomeccanici", ha affermato.
"In linea di principio, ciò offre prospettive molto interessanti agli sviluppatori di scintillatori per progettare materiali ottimali per un'ampia varietà di applicazioni. Se i risultati presentati nella ricerca possono essere riprodotti e adattati agli scintillatori prodotti industrialmente, ciò probabilmente contribuirà, ad esempio, a più diagnosi mediche accurate, più convenienti e più accessibili, nonché scansioni di sicurezza più rapide."
Ulteriori informazioni: Wenzheng Ye et al, L'effetto Purcell nanoplasmonico negli scintillatori di perovskite ultraveloci e ad alta resa luminosa, Materiali avanzati (2024). DOI:10.1002/adma.202309410
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito da Nanyang Technological University
