Een kwantummateriaal zou de toekomst kunnen zijn van hoogenergetische röntgenbeeldvorming en deeltjesdetectie

Scintillatoren zijn detectoren die hoogenergetische röntgenstralen of deeltjes zichtbaar maken door lichtflitsen om een ​​beeld te vormen. Hun vele toepassingen omvatten deeltjesfysica, medische beeldvorming, röntgenbeveiliging en meer.

Ondanks hun nut hebben scintillatoren onderzoekers echter voor een raadsel gesteld. Tot voor kort moesten wetenschappers beslissen of snelle beeldvorming of optimale prestaties belangrijker waren bij het kiezen van de juiste scintillatortechnologie voor een bepaald experiment.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben mogelijk een manier gevonden om dit dilemma op te lossen. Het gaat om een ​​scintillatormateriaal dat bestaat uit bolvormige deeltjes met een grootte van 20 miljardsten van een meter. Het onderzoek verschijnt in Natuurcommunicatie.

Ook al zijn ze ongelooflijk klein, deze nanodeeltjes hebben een ingewikkelde structuur die bestaat uit een balachtige kern van cadmiumsulfide omgeven door een dunne schil van cadmiumselenide en een dikkere schil van cadmiumsulfide. Aan dit project werkten wetenschappers van DOE’s Oak Ridge National Laboratory, Bowling Green State University (BGSU) en Northwestern University mee.

Vanwege kwantummechanische effecten hebben deze nanodeeltjes waardevolle optische en elektronische eigenschappen die niet mogelijk zijn met grotere deeltjes. De BGSU-wetenschappers synthetiseerden deze nanodeeltjes, kwantumschillen genoemd, om een ​​hecht rooster te vormen dat het scintillatormateriaal vormde.

Het is toepasbaar op ultrasnelle stralingsdetectie en op de beeldvorming met hoge resolutie die mogelijk is met röntgenlichtbronnen, zoals de Advanced Photon Source (APS) in Argonne, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science.

Een alledaagse toepassing van scintillatortechnologie is te vinden in het kantoor van een tandarts, waar röntgenstralen door de mond van een patiënt worden geschenen en op een film van reactief materiaal worden gedrukt dat een afbeelding van de tanden afdrukt zodat de tandarts kan controleren op mogelijke defecten.

Hoewel dit soort beeldvorming nuttig is voor tandartsen of artsen die röntgenfoto’s van de borstkas maken, staat het ver af van de kracht en precisie die nodig is voor beeldvorming op nanoschaal, zoals die bij het APS wordt uitgevoerd. Dat vereist scintillatormaterialen die efficiënt zijn, snel reageren, een grote ruimtelijke resolutie hebben, duurzaam zijn en tot grote afmetingen kunnen worden geschaald.

De recent ontwikkelde kwantumshells van het onderzoeksteam voldoen aan deze criteria. “Quantumshells kunnen geschikt zijn voor beeldvorming in de tandartspraktijk, maar ze zijn veel geschikter voor scintillatoren bij een lichtbron zoals de APS of voor röntgenbeeldvorming van motoren terwijl ze draaien met vloeistoffen erin”, zegt Burak Guzelturk. , een natuurkundige in de X-Ray Science Division van Argonne.

“Wanneer traditionele scintillatoren worden opgewonden door röntgenstralen, zullen ze licht uitstralen, en het zal een karakteristieke levensduur hebben”, zegt Benjamin Diroll, een wetenschapper bij het Center for Nanoscale Materials, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in Argonne.

“In sommige ervan kan het honderden nanoseconden zijn, of het kunnen microseconden zijn. De quantum shell-scintillator bereikt een levensduur van één cijfer in nanoseconden, terwijl de efficiëntieniveaus behouden blijven die gelijk zijn aan die van traditionele scintillatoren.”

Guzelturk vergeleek kwantumschillen met een ander vergelijkbaar lichtgevend materiaal: kwantumdots. “In een kwantumdot komt de lichtemissie doorgaans uit het centrale deel van het nano-object, en de kleur van het uitgestraalde licht hangt af van de grootte ervan. Aan de andere kant is de lichtemissie in de kwantumschillen niet afkomstig van de kern, maar het is eigenlijk de aangrenzende schil in het nanodeeltje.”

De dikte van die schil bepaalt hoe licht wordt uitgezonden. Scintillatormateriaal geproduceerd uit kwantumshells kan snelle, goed gedefinieerde beeldvorming en duurzaamheid op de lange termijn opleveren.

Klassieke scintillatoren zijn meestal behoorlijk dik. Hierdoor kunnen ze aan de voor-, achterkant of in het midden oplichten, waardoor het gewenste beeld onscherp wordt. Quantumshell-scintillatoren vermijden dat probleem omdat ze als dunne film op een substraatmateriaal kunnen worden gemaakt.

“Commerciële scintillatoren die zijn gemaakt van lichtere elementen moeten millimeters dik zijn”, legt Guzelturk uit. “In ons geval realiseerden we ons dat we quantumshell-scintillatoren veel dunner konden maken, slechts een paar micrometer, terwijl we zowel een sterke röntgenabsorptie als beeldvorming met hoge ruimtelijke resolutie konden bereiken.”

Met de komst van quantumshell-scintillatoren voor ultrasnelle beeldvorming met hoge resolutie zijn wetenschappers in staat de beperkingen van traditionele scintillatortechnologie te omzeilen. Dit baanbrekende werk toont het opmerkelijke potentieel van deze kwantummaterialen op nanoschaal. Door gebruik te maken van hun unieke optische en elektronische eigenschappen kunnen onderzoekers nieuwe grenzen verleggen op gebieden variërend van deeltjesfysica tot medische diagnostiek.