Il materiale delle celle solari ha il potenziale per rivoluzionare l’imaging medico

I raggi X possono causare danni e cancro a causa dei materiali scadenti del rilevatore.

Le tecniche avanzate di imaging a raggi X, come la fluoroscopia a raggi X, hanno migliorato l’assistenza medica, ma ridurre la dose di raggi X ridurrebbe i danni ai pazienti e consentirebbe nuove applicazioni. Il tasso di dose più basso di raggi X rilevabile dagli strumenti di radiologia è attualmente stabilito dai materiali di attenuazione utilizzati nei rilevatori.

Un team di ricercatori guidati dalle Università di Oxford e Cambridge ha scoperto che l’ossi ioduro di bismuto (BiOI), un materiale delle celle solari, può rilevare tassi di dosaggio dei raggi X quasi 250 volte inferiori rispetto ai migliori rilevatori disponibili in commercio. Ciò ha il potenziale per rendere l’imaging medico più sicuro e allo stesso tempo aprire nuove opportunità per la diagnostica non invasiva come gli approcci video a raggi X.

Il dottor Robert Hoye dell’Università di Oxford, che ha guidato il lavoro, ha dichiarato: “Abbiamo sviluppato i singoli cristalli BiOI in rilevatori di raggi X che funzionano oltre 100 volte meglio dell’attuale stato dell’arte per l’imaging medico. è non tossico, stabile nell'aria e può essere coltivato in modo economicamente vantaggioso e su larga scala. Siamo molto entusiasti del potenziale che BiOI ha nel rendere la prossima generazione di diagnostica non invasiva più accessibile, più sicura e più efficace."

BiOI è un semiconduttore non tossico che assorbe la luce visibile e mantiene la sua stabilità nell'aria. A causa di queste proprietà, negli ultimi dieci anni c’è stato un crescente interesse per questo materiale per le celle solari (che convertono la luce solare in elettricità pulita), le celle fotoelettrochimiche (che convertono la luce solare in combustibili) e la raccolta di energia per alimentare dispositivi intelligenti, tra molti altri applicazioni.

I precedenti tentativi di trasformare BiOI in rilevatori di raggi X sono falliti a causa delle elevate perdite di energia causate da guasti causati dalla struttura nanocristallina dei rilevatori.

I ricercatori hanno creato e brevettato un metodo per utilizzare tecniche scalabili basate sul vapore per generare cristalli singoli di BiOI di alta qualità.

Le correnti oscure stabili e ultra-basse prodotte dalla bassa densità di difetti di questi cristalli erano essenziali per aumentare significativamente la sensibilità ai raggi X e il limite di rilevamento del materiale.

La professoressa Judith Driscoll del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Metallurgia di Cambridge, che ha co-diretto il lavoro, ha dichiarato: "Dimostrare che questi cristalli stabili, semplicemente lavorati, cresciuti a bassa temperatura, possono fornire una sensibilità così elevata per il rilevamento dei raggi X è davvero notevole. Abbiamo iniziato a lavorare su questo materiale, BiOI, diversi anni fa, e scopriamo che supera altri materiali rivali in una gamma di applicazioni optoelettroniche e di rilevamento quando la tossicità e le prestazioni vengono considerate insieme."

I ricercatori hanno creato un team interdisciplinare per determinare perché BiOI funziona in modo così efficace come rilevatore di raggi X. Hanno utilizzato tecniche ottiche avanzate per risolvere eventi che si verificano in trilionesimi di secondo. Li hanno combinati con simulazioni per collegare questi processi a ciò che sta accadendo a livello atomico.

Hanno scoperto un percorso unico attraverso il quale gli elettroni si collegano alle vibrazioni nel reticolo, risultando in un canale di perdita di energia irreversibile. A differenza di altri composti di alogenuro di bismuto, gli elettroni nel BiOI rimangono delocalizzati, consentendo agli elettroni di fluire facilmente e rapidamente all'interno del reticolo BiOI.

Allo stesso tempo, l’interazione unica degli elettroni con le vibrazioni del reticolo crea un percorso irreversibile di perdita di energia che esisterebbe anche se il materiale fosse privo di difetti.

Per superare queste perdite, raffreddare il campione per ridurre l’energia termica o applicare un campo elettrico per estrarre gli elettroni dal reticolo. Quest'ultimo caso è perfettamente compatibile con il funzionamento dei rilevatori di raggi X.

Gli elettroni possono essere trasferiti su una scala di lunghezza millimetrica generando un piccolo campo elettrico. Ciò consente l'estrazione efficace degli elettroni creati nei singoli cristalli mediante assorbimento dei raggi X.

Il dottor Bartomeu Monserrat del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Metallurgia di Cambridge, che ha co-diretto il progetto, ha dichiarato: "Abbiamo costruito un modello microscopico quantomeccanico di elettroni e ioni che può spiegare completamente le notevoli proprietà optoelettroniche del BiOI che lo rendono un tale buon materiale per il rilevamento dei raggi X."