Nei settori dell’ispezione dei materiali, della diagnostica medica, delle scoperte astronomiche e della ricerca scientifica, la richiesta di metodi di imaging a raggi X ad alta risoluzione e ultrastabili ha innescato una fervida ricerca di materiali innovativi reattivi ai raggi X. Questi materiali ricercati devono possedere qualità eccezionali come elevata attenuazione dei raggi X, scintillazione efficiente, rapido decadimento della luce e robusta durata.
Tra questi, le perovskiti a base di alogenuri di piombo sono emerse come contendenti convincenti grazie alla loro notevole efficienza di luminescenza, capacità superiori di attenuazione dei raggi X e breve durata della fluorescenza. Tuttavia, la loro applicazione nel campo della scintillazione è ostacolata dalla tossicità del metallo pesante piombo (Pb), dalla bassa resa di fotoni causata da effetti di autoassorbimento e dalla scarsa stabilità dell'irradiazione dei raggi X.
Per superare queste sfide, i ricercatori hanno cercato soluzioni negli alogenuri metallici a dimensione zero (0D) senza piombo, come gli alogenuri a base di rame, argento, zirconio e manganese. Queste intriganti alternative si sono dimostrate promettenti come scintillatori efficaci per il rilevamento e l'imaging di raggi X, vantando elevate rese di fotoni, diverse opzioni di composizione e struttura e un meccanismo di luminescenza unico noto come eccitoni auto-intrappolati (STE).
Tuttavia, un grosso ostacolo risiede nella fabbricazione di questi alogenuri metallici come pellicole sottili o wafer, con conseguente risoluzione dell'immagine inferiore alla media a causa della diffusione della luce causata da grandi particelle e confini dei cristalli. Inoltre, gli alogenuri metallici 0D senza piombo devono affrontare sfide legate alla scarsa stabilità, in particolare in ambienti caldi e umidi.
In una svolta riportata in Advanced Photonics , i ricercatori della South China University of Technology hanno sviluppato un approccio pionieristico che rivoluziona l’imaging a raggi X. Hanno ottenuto immagini a raggi X ad alta risoluzione e ultra stabili anche in condizioni impegnative di temperatura e umidità elevate. La chiave:Cs3 senza piombo MnBr5 nanocristalli di anti-perovskite incorporati all'interno di una matrice di vetro.
A differenza dei tradizionali materiali perovskiti, le anti-perovskiti possiedono una struttura distintiva rappresentata come [MX4 ]XA3 [A =metallo alcalino; M =metallo di transizione; e X =cloro (Cl), bromo (Br) e iodio (I)]. Questa configurazione unica presenta un centro di luminescenza, il [MX4 ] 2- tetraedro, annidato all'interno di un XA6 tridimensionale (3D). Scheletro ottaedrico anti-perovskite. Questa struttura riduce significativamente l'interazione del centro di luminescenza, favorendo effetti di confinamento spaziale migliorati e, in definitiva, producendo un'elevata efficienza quantica e stabilità della luminescenza.
Attraverso il processo di cristallizzazione in situ durante la ricottura, Mn 2+ gli ioni sono perfettamente integrati nella matrice di vetro, dando origine a colori di luminescenza regolabili che vanno dal rosso al verde, come dettato dal programma di ricottura. Inoltre, il Cs3 MnBr5 il vetro incorporato in nanocristalli mostra stabilità di irradiazione dei raggi X, stabilità termica e resistenza all'acqua senza precedenti.
Sorprendentemente, vanta anche un eccezionale limite di rilevamento dei raggi X (767 nanogray al secondo), un'impressionante risoluzione spaziale dell'imaging a raggi X (19,1 coppie di linee per millimetro) e un'eccezionale stabilità dell'irradiazione della dose di raggi X (5,775 milligray al secondo).
Questo lavoro presenta un nuovo intrigante schema che sfrutta il potenziale dei compositi vetrosi trasparenti che incorporano nanocristalli di alogenuro anti-perovskite senza piombo per applicazioni di imaging a raggi X ad alta risoluzione e ultrastabili. I risultati di questa ricerca potrebbero fungere da catalizzatore, stimolando ulteriori esplorazioni e sviluppo di nuovi materiali anti-perovskite agli alogenuri metallici. In definitiva, questa scoperta apre la strada al futuro sviluppo di dispositivi di imaging a raggi X di prossima generazione, promettendo progressi trasformativi nel campo della diagnostica e dell'imaging a raggi X.
Ulteriori informazioni: Yakun Le et al, I compositi vetrosi trasparenti che incorporano nanocristalli di alogenuro anti-perovskite senza piombo consentono un'emissione regolabile e imaging a raggi X ultrastabile, Fotonica avanzata (2023). DOI:10.1117/1.AP.5.4.046002
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