Los centelleadores son materiales que emiten luz cuando son bombardeados con partículas de alta energía o rayos X. En los sistemas de rayos X médicos o dentales, convierten la radiación de rayos X entrante en luz visible que luego se puede capturar usando una película o fotosensores. También se utilizan para sistemas de visión nocturna y para investigación, como detectores de partículas o microscopios electrónicos.

Los investigadores del MIT ahora han demostrado cómo se podría mejorar la eficiencia de los centelleadores al menos diez veces, y tal vez incluso cien veces, cambiando la superficie del material para crear ciertas configuraciones a nanoescala, como conjuntos de crestas onduladas. Si bien los intentos anteriores de desarrollar centelladores más eficientes se han centrado en encontrar nuevos materiales, el nuevo enfoque podría, en principio, funcionar con cualquiera de los materiales existentes.

Aunque requerirá más tiempo y esfuerzo para integrar sus centelleadores en las máquinas de rayos X existentes, el equipo cree que este método podría conducir a mejoras en las radiografías de diagnóstico médico o las tomografías computarizadas, para reducir la exposición a la dosis y mejorar la calidad de la imagen. En otras aplicaciones, como la inspección por rayos X de piezas fabricadas para el control de calidad, los nuevos centelladores podrían permitir inspecciones con mayor precisión o a mayor velocidad.

Los hallazgos se describen en la revista Science , en un artículo de los estudiantes de doctorado del MIT Charles Roques-Carmes y Nicholas Rivera; los profesores del MIT Marin Soljacic, Steven Johnson y John Joannopoulos; y otros 10.

Si bien los centelleadores se han utilizado durante unos 70 años, gran parte de la investigación en este campo se ha centrado en desarrollar nuevos materiales que produzcan emisiones de luz más brillantes o más rápidas. En cambio, el nuevo enfoque aplica los avances en nanotecnología a los materiales existentes. Mediante la creación de patrones en materiales de centelleo a una escala de longitud comparable a las longitudes de onda de la luz emitida, el equipo descubrió que era posible cambiar drásticamente las propiedades ópticas del material.

Para hacer lo que ellos denominaron "centelleadores nanofotónicos", dice Roques-Carmes, "puedes hacer patrones directamente dentro de los centelleadores, o puedes pegar otro material que tenga agujeros en la nanoescala. Los detalles dependen de la estructura y el material exactos. " Para esta investigación, el equipo tomó un centelleador e hizo agujeros separados por aproximadamente una longitud de onda óptica, o alrededor de 500 nanómetros (mil millonésimas de metro).

"La clave de lo que estamos haciendo es una teoría general y un marco que hemos desarrollado", dice Rivera. Esto permite a los investigadores calcular los niveles de centelleo que produciría cualquier configuración arbitraria de estructuras nanofotónicas. El proceso de centelleo en sí implica una serie de pasos, por lo que es complicado de desentrañar. El marco que desarrolló el equipo implica la integración de tres tipos diferentes de física, dice Roques-Carmes. Utilizando este sistema, han encontrado una buena coincidencia entre sus predicciones y los resultados de sus experimentos posteriores.

Los experimentos mostraron una mejora de diez veces en la emisión del centelleador tratado. "Entonces, esto es algo que podría traducirse en aplicaciones para imágenes médicas, que carecen de fotones ópticos, lo que significa que la conversión de rayos X en luz óptica limita la calidad de la imagen. [En imágenes médicas,] no desea irradiar su pacientes con demasiados rayos X, especialmente para exámenes de rutina, y especialmente para pacientes jóvenes también", dice Roques-Carmes.

“Creemos que esto abrirá un nuevo campo de investigación en nanofotónica”, añade. "Se puede utilizar gran parte del trabajo y la investigación existentes que se han realizado en el campo de la nanofotónica para mejorar significativamente los materiales existentes que centellean".

Soljacic dice que si bien sus experimentos demostraron que se podía lograr una mejora diez veces mayor en la emisión, al ajustar aún más el diseño del patrón a nanoescala, "también demostramos que se puede obtener una [mejora] de hasta 100 veces, y creemos que también tenemos un camino para hacerlo aún mejor", dice.

Soljacic destaca que en otras áreas de la nanofotónica, un campo que se ocupa de cómo la luz interactúa con los materiales que están estructurados a escala nanométrica, el desarrollo de simulaciones computacionales ha permitido mejoras rápidas y sustanciales, por ejemplo, en el desarrollo de células solares y LED. . Los nuevos modelos que este equipo desarrolló para materiales centelleantes podrían facilitar avances similares en esta tecnología, dice.

Las técnicas de nanofotónica "le brindan el máximo poder para adaptar y mejorar el comportamiento de la luz", dice Soljacic. "Pero hasta ahora, esta promesa, esta capacidad de hacer esto con el centelleo, era inalcanzable porque modelar el centelleo era muy desafiante. Ahora, este trabajo abre por primera vez este campo del centelleo, lo abre completamente, para la aplicación de técnicas nanofotónicas. ." En términos más generales, el equipo cree que la combinación de nanofotónicos y centelladores podría, en última instancia, permitir una resolución más alta, una dosis de rayos X reducida y una imagen de rayos X con resolución de energía.

Yablonovitch agrega que, si bien el concepto aún debe probarse en un dispositivo práctico, dice que "después de años de investigación sobre cristales fotónicos en comunicación óptica y otros campos, hace mucho tiempo que los cristales fotónicos deberían aplicarse a los centelleadores, que son de gran importancia práctica aún se han pasado por alto" hasta este trabajo.

El equipo de investigación incluyó a Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan y Nicolas Romeo en el MIT; Yang Yu en Raith America, Inc.; e Ido Kaminer en Technion en Israel. El trabajo fue apoyado, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y por una Beca de Ingeniería de Mathworks. + Explora más

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