De toekomst van röntgenbeeldvorming: ultrastabiele oplossingen met hoge resolutie en loodvrije anti-perovskiet nanokristallen

Op het gebied van materiaalinspectie, medische diagnostiek, astronomische ontdekkingen en wetenschappelijk onderzoek heeft de vraag naar ultrastabiele röntgenbeeldvormingsmethoden met hoge resolutie geleid tot een vurig streven naar innovatieve röntgengevoelige materialen. Deze gewilde materialen moeten uitzonderlijke eigenschappen hebben, zoals een hoge verzwakking van röntgenstralen, efficiënte scintillatie, snel lichtverval en robuuste duurzaamheid.

Onder hen zijn perovskieten op basis van loodhalogenide naar voren gekomen als een overtuigende concurrent vanwege hun opmerkelijke luminescentie-efficiëntie, superieure X-ray verzwakkingsmogelijkheden en korte fluorescentielevensduren. Hun toepassing in het scintillatieveld wordt echter belemmerd door de toxiciteit van zwaar metaal lood (Pb), lage fotonenopbrengst veroorzaakt door zelfabsorptie-effecten en slechte röntgenbestralingsstabiliteit.

Barrières doorbreken: loodvrije anti-perovskiet nanokristallen

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben onderzoekers oplossingen gezocht in loodvrije nul-dimensionale (0D) metaalhalogeniden, zoals haliden op basis van koper, zilver, zirkonium en mangaan. Deze intrigerende alternatieven zijn veelbelovend gebleken als effectieve scintillatoren voor röntgendetectie en beeldvorming, met hoge fotonenopbrengsten, diverse compositie- en structuuropties en een uniek luminescentiemechanisme dat bekend staat als self-trapped excitons (STE’s).

Een grote hindernis ligt echter in de fabricage van deze metaalhalogeniden als dunne films of wafels, wat resulteert in een ondermaatse beeldresolutie als gevolg van lichtverstrooiing veroorzaakt door grote deeltjes en kristalgrenzen. Bovendien worden loodvrije 0D-metaalhalogeniden geconfronteerd met uitdagingen in verband met slechte stabiliteit, vooral in warme en vochtige omgevingen.

In een doorbraak gemeld in Geavanceerde fotonica, ontwikkelden onderzoekers van de South China University of Technology een baanbrekende benadering die een revolutie teweegbrengt in röntgenbeeldvorming. Ze bereikten een hoge resolutie en ultrastabiele röntgenfoto’s, zelfs in veeleisende omstandigheden van hoge temperatuur en vochtigheid. De sleutel: loodvrij Cs₃MnBr₅ anti-perovskiet nanokristallen ingebed in een glazen matrix.

In tegenstelling tot traditionele perovskietmaterialen, hebben anti-perovskieten een kenmerkende structuur die wordt weergegeven als [MX₄]XA₃ [A = alkali metal; M = transition metal; and X = chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I)]. Deze unieke configuratie heeft een luminescentiecentrum, de [MX₄]^2- tetraëder, genesteld in een driedimensionale (3D) XA₆ octaëdrisch anti-perovskiet skelet. Deze structuur vermindert de interactie van het luminescentiecentrum aanzienlijk, bevordert verbeterde ruimtelijke opsluitingseffecten en levert uiteindelijk een hoge kwantumefficiëntie en luminescentiestabiliteit op.

Door het proces van in-situ kristallisatie tijdens gloeien, Mn²⁺ ionen worden naadloos geïntegreerd in de glasmatrix, wat leidt tot instelbare luminescentiekleuren variërend van rood tot groen, zoals gedicteerd door het uitgloeischema. Bovendien zijn de Cs₃MnBr₅ In nanokristallen ingebed glas vertoont een ongeëvenaarde stabiliteit bij röntgenstraling, thermische stabiliteit en waterbestendigheid.

Opmerkelijk genoeg beschikt het ook over een uitzonderlijke detectielimiet voor röntgenstralen (767 nanogrijs per seconde), een indrukwekkende ruimtelijke resolutie voor röntgenbeelden (19,1 lijnparen per millimeter) en een uitstekende stabiliteit van de bestraling met röntgenstralen (5,775 milligraden per seconde).

Dit werk presenteert een intrigerend nieuw schema dat het potentieel benut van transparante glasachtige composieten met loodvrije anti-perovskiethalogenide nanokristallen voor ultrastabiele röntgenbeeldvormingstoepassingen met hoge resolutie. De resultaten van dit onderzoek zouden als katalysator kunnen dienen en verdere exploratie en ontwikkeling van nieuwe metaalhalogenide-antiperovskietmaterialen stimuleren. Uiteindelijk maakt deze ontdekking de weg vrij voor de toekomstige ontwikkeling van röntgenbeeldvormingsapparatuur van de volgende generatie, die baanbrekende vooruitgang belooft op het gebied van röntgendiagnostiek en beeldvorming.