Cintiladores são detectores que tornam visíveis raios X ou partículas de alta energia através de flashes de luz para formar uma imagem. Suas muitas aplicações incluem física de partículas, imagens médicas, segurança de raios X e muito mais.
Apesar de sua utilidade, no entanto, os cintiladores apresentaram um enigma aos pesquisadores. Até recentemente, os cientistas tinham que decidir se a imagem rápida ou o desempenho splendid period mais importante ao escolher a tecnologia de cintilador apropriada para um experimento específico.
Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) podem ter encontrado uma maneira de resolver esse dilema. Envolve um materials cintilador composto de partículas esféricas com tamanho de 20 bilionésimos de metro. Embora sejam incrivelmente pequenas, essas nanopartículas têm uma estrutura complexa composta por um núcleo de sulfeto de cádmio em forma de bola cercado por uma fina camada de seleneto de cádmio e uma camada mais espessa de sulfeto de cádmio. Colaboraram neste projeto cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE, da Bowling Inexperienced State College (BGSU) e da Northwestern College.
Devido aos efeitos da mecânica quântica, essas nanopartículas possuem propriedades ópticas e eletrônicas valiosas que não são possíveis com partículas maiores. Os cientistas da BGSU sintetizaram essas nanopartículas, chamadas de conchas quânticas, para formar uma rede estreita que constituía o materials cintilador. É aplicável à detecção de radiação ultrarrápida, bem como à imagem de alta resolução possível com fontes de luz de raios X, como a Superior Photon Supply (APS) em Argonne, uma instalação de usuário do DOE Workplace of Science.
Uma aplicação diária da tecnologia de cintiladores pode ser encontrada no consultório de um dentista, onde feixes de raios X são direcionados através da boca do paciente e sobre um filme de materials reativo que imprime uma imagem dos dentes para o dentista verificar possíveis defeitos. Embora esse tipo de imagem seja útil para dentistas ou médicos que realizam radiografias de tórax, está muito longe do poder e da precisão necessários para imagens em nanoescala, como as realizadas na APS. Isso requer materiais cintiladores que sejam eficientes, de resposta rápida, tenham ótima resolução espacial, sejam duráveis e possam ser dimensionados para tamanhos grandes.
As conchas quânticas recentemente desenvolvidas pela equipe de pesquisa atendem a esses critérios. “As conchas quânticas podem ser adequadas para imagens no consultório do dentista, mas são muito mais adequadas para cintiladores em uma fonte de luz como o APS ou para imagens de raios X de motores enquanto funcionam com líquidos em seu inside”, disse Burak. Guzelturk, físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne.
“Quando os cintiladores tradicionais são excitados por feixes de raios X, eles emitem luz e terão uma vida útil característica,” disse Benjamin Diroll, cientista do Heart for Nanoscale Supplies, uma instalação de usuários do DOE Workplace of Science em Argonne. “Em alguns deles, pode levar centenas de nanossegundos ou microssegundos. O cintilador quântico atinge uma vida útil de nanossegundos de um dígito, preservando níveis de eficiência iguais aos cintiladores tradicionais.”
Guzelturk comparou as conchas quânticas com outro materials emissor de luz semelhante, os pontos quânticos. “Em um ponto quântico, a emissão de luz normalmente vem da parte central do nanoobjeto, e a cor da luz emitida depende de seu tamanho. Por outro lado, nas camadas quânticas, a emissão de luz não se origina de o núcleo, mas na verdade é a camada adjacente da nanopartícula.” A espessura dessa casca determina como a luz é emitida. O materials cintilador produzido a partir de conchas quânticas pode fornecer imagens rápidas e bem definidas e durabilidade a longo prazo.
Os cintiladores clássicos tendem a ser bastante espessos. Como resultado, eles podem acender na frente, atrás ou no meio, o que tende a desfocar a imagem desejada. Os cintiladores quânticos evitam esse problema porque podem ser feitos como uma película fina sobre um materials de substrato.
“Os cintiladores comerciais feitos de elementos mais leves precisam ter milímetros de espessura,” explicou Guzelturk. “No nosso caso, percebemos que poderíamos tornar os cintiladores quânticos muito mais finos, apenas alguns micrômetros, ao mesmo tempo que obtemos uma forte absorção de raios X e imagens de alta resolução espacial.”
Com o advento dos cintiladores quânticos para imagens ultrarrápidas e de alta resolução, os cientistas são capazes de contornar as limitações da tecnologia tradicional de cintiladores. Este trabalho pioneiro mostra o notável potencial destes materiais quânticos em nanoescala. Ao aproveitar as suas propriedades ópticas e electrónicas únicas, os investigadores podem abrir novas fronteiras em campos que vão desde a física de partículas até ao diagnóstico médico.
Esta pesquisa apareceu pela primeira vez na Nature Communications. Além de Diroll e Guzelturk, os autores do artigo incluem James Cassidy, Dulanjan Harankahage, Muchuan Hua, Xiao-Min Lin, Vasudevan Iyer, Richard D. Schaller, Benjamin J. Lawrie e Mikhail Zamkov.
A pesquisa foi financiada pelo DOE Workplace of Fundamental Vitality Sciences.