Inspirándose en una fuente inusual, un equipo de Sandia National Laboratories ha mejorado drásticamente la ciencia de los centelleadores, objetos que detectan amenazas nucleares. Según el equipo, El uso de centelleadores de vidrio orgánico pronto podría dificultar aún más el contrabando de materiales nucleares a través de los puertos y fronteras de Estados Unidos.

El equipo de Sandia Labs ha desarrollado un centelleador hecho de un vidrio orgánico que es más eficaz que el material de detección de amenazas nucleares más conocido y, al mismo tiempo, es mucho más fácil y económico de producir.

El vidrio orgánico es un material a base de carbono que se puede fundir y no se vuelve turbio ni cristaliza al enfriarse. Los resultados exitosos de las pruebas del equipo del proyecto Defence Nuclear Nonproliferation sobre centelleadores de vidrio orgánico se describen en un artículo publicado esta semana en La Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

El científico de materiales e investigador principal de Sandia Labs, Patrick Feng, comenzó a desarrollar clases alternativas de centelleadores orgánicos en 2010. Feng explicó que él y su equipo se propusieron "fortalecer la seguridad nacional mejorando la relación costo-rendimiento de los detectores de radiación en la primera línea de todos material que se traslada al país ". Para mejorar esa proporción, el equipo necesitaba cerrar la brecha entre los mejores, más brillante material centelleador más sensible y los menores costos de materiales menos sensibles.

La inspiración de los diodos emisores de luz conduce a un aumento del rendimiento

El equipo diseñó, sintetizó y evaluó nuevas moléculas de centelleo para este proyecto con el objetivo de comprender la relación entre las estructuras moleculares y las propiedades de detección de radiación resultantes. Hicieron avances en la búsqueda de centelleadores capaces de indicar la diferencia entre materiales nucleares que podrían ser amenazas potenciales y normales, fuentes de radiación no amenazantes, como los que se utilizan para tratamientos médicos o las radiaciones presentes de forma natural en nuestra atmósfera.

El equipo informó por primera vez sobre los beneficios de usar vidrio orgánico como material de centelleo en junio de 2016. El químico orgánico Joey Carlson dijo que realmente se hicieron posibles más avances cuando se dio cuenta de que los centelleadores se comportan de manera muy parecida a los diodos emisores de luz.

Con LEDs, se aplica una fuente y una cantidad de energía eléctrica conocidas a un dispositivo para producir una cantidad de luz deseada. A diferencia de, Los centelleadores producen luz en respuesta a la presencia de un material fuente de radiación desconocido. Dependiendo de la cantidad de luz producida y la velocidad con la que aparece la luz, se puede identificar la fuente.

A pesar de estas diferencias en la forma en que operan, tanto los LED como los centelleadores aprovechan la energía eléctrica para producir luz. El fluoreno es una molécula emisora ​​de luz que se utiliza en algunos tipos de LED. El equipo descubrió que era posible lograr las cualidades más deseables:estabilidad, transparencia y brillo mediante la incorporación de fluoreno en sus compuestos centelleadores.

Empujando cristales y plásticos

El material centelleador estándar de oro durante los últimos 40 años ha sido la forma cristalina de una molécula llamada trans-estilbeno, a pesar de una intensa investigación para desarrollar un reemplazo. El trans-estilbeno es muy eficaz para diferenciar entre dos tipos de radiación:rayos gamma, que son omnipresentes en el medio ambiente, y neutrones, que emanan casi exclusivamente de materiales de amenaza controlados como el plutonio o el uranio. El transestilbeno es muy sensible a estos materiales, produciendo una luz brillante en respuesta a su presencia.

Pero se necesita mucha energía y varios meses para producir un cristal de trans-estilbeno de solo unas pocas pulgadas de largo. Los cristales son increíblemente caros, alrededor de $ 1, 000 por pulgada cúbica, y son frágiles, por lo que no se usan comúnmente en el campo.

En lugar de, los centelleadores más utilizados en las fronteras y los puertos de entrada son los plásticos. Son comparativamente económicos a menos de un dólar por pulgada cúbica, y se pueden moldear en formas muy grandes, que es esencial para la sensibilidad del centelleador. Como explicó Feng, "Cuanto más grande sea tu detector, cuanto más sensible va a ser, porque hay una mayor probabilidad de que la radiación lo golpee ".

A pesar de estos aspectos positivos, Los plásticos no pueden diferenciar de manera eficiente los tipos de radiación; para eso, se requiere un tubo de helio separado. El tipo de helio que se usa en estos tubos es poco común, no renovable y aumenta significativamente el costo y la complejidad de un sistema de centelleo de plástico. Y los plásticos no son particularmente brillantes a solo dos tercios de la intensidad del trans-estilbeno, lo que significa que no detectan bien las fuentes débiles de radiación.

Por estas razones, El equipo de Sandia Labs comenzó a experimentar con vasos orgánicos, que son capaces de discriminar entre tipos de radiación. De hecho, El equipo de Feng descubrió que los centelleadores de vidrio superan incluso al trans-estilbeno en las pruebas de detección de radiación:son más brillantes y mejores para discriminar entre tipos de radiación.

Otro desafío:los compuestos de vidrio iniciales que hizo el equipo no eran estables. Si los vasos se calentaron demasiado durante demasiado tiempo, ellos cristalizarían, que afectó su desempeño. El equipo de Feng descubrió que la combinación de compuestos que contienen fluoreno con las moléculas de vidrio orgánico las hacía indefinidamente estables. Los vasos estables también podrían fundirse y moldearse en bloques grandes, que es un proceso más fácil y menos costoso que hacer plásticos o trans-estilbeno.

Del laboratorio a los puertos

El trabajo hasta ahora muestra una estabilidad indefinida en un laboratorio, lo que significa que el material no se degrada con el tiempo. Ahora, el siguiente paso hacia la comercialización es la fundición de un prototipo de centelleador de vidrio orgánico de gran tamaño para realizar pruebas de campo. Feng y su equipo quieren demostrar que los centelleadores de vidrio orgánico pueden soportar la humedad y otras condiciones ambientales que se encuentran en los puertos.

La Administración Nacional de Seguridad Nuclear ha financiado el proyecto durante dos años más. Esto le da tiempo al equipo para ver si pueden usar centelleadores de vidrio orgánico para satisfacer necesidades adicionales de seguridad nacional.

Avanzando, Feng y su equipo también planean experimentar con el vidrio orgánico hasta que pueda distinguir entre las fuentes de rayos gamma que no son amenazantes y las que pueden usarse para fabricar bombas sucias.