Science scintillante : des chercheurs améliorent les matériaux pour la détection des rayonnements et la technologie d’imagerie


Une équipe de chercheurs de la Florida State University a développé une nouvelle génération de matériaux hybrides organiques-inorganiques qui peuvent améliorer la qualité d’image dans les appareils à rayons X, les tomodensitogrammes et d’autres technologies de détection et d’imagerie des rayonnements.

Le professeur Biwu Ma du Département de chimie et de biochimie et ses collègues ont développé une nouvelle classe de matériaux qui peuvent agir comme des scintillateurs très efficaces, qui émettent de la lumière après avoir été exposés à d’autres formes de rayonnements à haute énergie, tels que les rayons X.

L’étude la plus récente de l’équipe, publiée dans Matériaux avancés, est une amélioration par rapport à leurs recherches précédentes pour développer de meilleurs scintillateurs. Le nouveau concept de conception produit des matériaux qui peuvent émettre de la lumière en quelques nanosecondes, des ordres de grandeur plus rapides que les matériaux précédemment développés, permettant une meilleure imagerie.

« La réduction de la durée de vie de la décroissance de la radioluminescence des scintillateurs à quelques nanosecondes est une avancée importante », a déclaré Ma. « L’utilisation d’un matériau hybride composé à la fois de composants organiques et inorganiques signifie que chaque composant peut être utilisé pour la partie du processus où il est le plus efficace. »

Les scintillateurs sont utilisés dans toutes sortes d’applications d’imagerie. Les établissements de soins de santé, les rayons X de sécurité, les détecteurs de rayonnement et d’autres technologies les utilisent et bénéficieraient d’une meilleure qualité d’image.

La nouvelle génération de scintillateurs hybrides aux halogénures métalliques organiques développée par l’équipe de Ma présente de nombreuses améliorations par rapport aux scintillateurs existants. En plus d’une réponse de radioluminescence nettement meilleure, le processus de fabrication est plus simple que le processus utilisé pour d’autres scintillateurs, et il utilise des matériaux abondants et bon marché.

Considérez un scintillateur comme une sorte de traducteur entre deux types d’énergie, prenant une forme de rayonnement à haute énergie, comme un rayon X, et le convertissant en lumière visible. Moins de rayonnement traverse les parties plus denses d’un objet, et cette différence peut être utilisée pour distinguer les objets de densité plus élevée, tels que les os ou le métal, des objets de densité inférieure, tels que les tissus mous. Le rayonnement qui traverse un objet interagit alors avec le scintillateur, qui génère de la lumière visible qui est détectée par un capteur pour créer une image.

Les scintillateurs d’aujourd’hui utilisent principalement des matériaux inorganiques pour transformer un rayonnement de haute énergie en lumière visible pour produire des images. Ces matériaux sont rigides, utilisent des éléments de terres rares et nécessitent des processus de fabrication à haute température et énergivores.

Ma et son équipe travaillent sur des hybrides d’halogénures métalliques organiques de dimension zéro, avec lesquels ils ont effectué des recherches pionnières depuis 2018. Ces hybrides organiques-inorganiques sont constitués de petits groupes de composants inorganiques chargés négativement, appelés grappes d’halogénures métalliques, et chargés positivement. molécules organiques. Ils sont « zérodimensionnels » au niveau moléculaire car les amas d’halogénures métalliques sont entièrement isolés et entourés de molécules organiques.

Dans la première version des scintillateurs à base de ce matériau, les halogénures métalliques absorbent les rayonnements de haute énergie et émettent de la lumière visible. Dans cette dernière itération, les composants aux halogénures métalliques et les molécules organiques travaillent ensemble. Les halogénures métalliques absorbent le rayonnement à haute énergie et transfèrent de l’énergie aux composants organiques, qui émettent de la lumière visible.

Les émissions lumineuses des molécules organiques se produisent à l’échelle des nanosecondes, beaucoup plus rapidement que les microsecondes ou millisecondes nécessaires aux halogénures métalliques pour émettre de la lumière.

« Plus la décroissance de la radioluminescence est rapide, plus nous pouvons mesurer avec précision le moment des émissions de photons », a déclaré Ma. « Cela conduit à une résolution et un contraste plus élevés dans les images. »

Avec l’aide du bureau de commercialisation de la FSU, Ma et son équipe ont déposé des brevets sur des scintillateurs hybrides aux halogénures métalliques organiques. Le programme d’investissement dans la commercialisation GAP du bureau a fourni des fonds pour développer la technologie pour des partenariats potentiels avec des entreprises privées, ce qui rendrait les scintillateurs disponibles à plus grande échelle.

« Il s’agit d’une continuation de notre recherche de meilleurs matériaux au fil des ans, de 2018, lorsque nous avons découvert cette classe de matériaux pour la première fois, à 2020, lorsque nous les avons utilisés pour la scintillation pour la première fois », a déclaré Ma. « C’est une autre percée majeure. »

Cette étude a été soutenue par la National Science Foundation et la Florida State University.

Le premier auteur de cet article était Tunde Blessed Shonde, un étudiant diplômé de la FSU. Les autres co-auteurs comprenaient Maya Chaaban, He Liu, Oluwadara Joshua Olasupo, Azza Ben-Akacha, Fabiola G. Gonzalez, Kerri Julevich, Xinsong Lin, JS Raj Vellore Winfred, tous de FSU, et Luis M. Stand et Mariya Zhuravleva de la Université du Tennessee, Knoxville.

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