Un nanocompuesto que absorbe los rayos X y luego, con una eficiencia casi perfecta, vuelve a emitir la energía capturada como luz, podría ayudar a mejorar las imágenes médicas de alta resolución y la detección de seguridad. La transferencia de energía cercana al 100 por ciento del material podría generar ganancias de eficiencia en dispositivos que van desde diodos emisores de luz (LED) y centelleadores de imágenes de rayos X, hasta células solares.

Durante un procedimiento de imágenes médicas, los rayos X que atraviesan el cuerpo son absorbidos por un material de centelleo, que convierte los rayos X en luz para que los capture un sensor tipo cámara digital. "Hasta la fecha, los centelleadores de alto rendimiento consisten principalmente en cerámica que necesita condiciones de preparación duras y costosas, o materiales de perovskita que tienen poca estabilidad al aire y a la luz y alta toxicidad", dice Jian-Xin Wang, un postdoctorado en el laboratorio de Omar Mohammed que dirigió el trabajo.

Los materiales orgánicos de centelleo, por el contrario, tienen buena capacidad de procesamiento y estabilidad, pero baja resolución de imagen y sensibilidad de detección debido al bajo peso atómico y, por lo tanto, a la limitada absorción de rayos X de sus átomos componentes.

Mohammed y sus colegas ahora han mejorado la captura de rayos X de los centelleadores orgánicos combinándolos con un marco orgánico de metal (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, que incorpora circonio de alto peso atómico dentro de estructuras altamente ordenadas.

Cuando la capa de MOF del nanocompuesto fue golpeada por rayos X, se generaron excitones (pares excitados de electrones cargados negativamente y huecos cargados positivamente). Estos portadores de energía se transfirieron fácilmente del MOF al cromóforo orgánico TADF, con la ayuda de la distancia ultracorta entre ellos, y la energía se emitió como luz.

De manera crítica para la eficiencia general del nanocompuesto, el cromóforo TADF emitía luz independientemente de la forma del excitón. Los excitones "singlete" dieron como resultado la emisión de luz directa, y el cromóforo TADF convirtió fácilmente los excitones "tripletes" no emisivos en el estado de singlete emisivo. "El aprovechamiento directo de los excitones singlete y triplete de los cromóforos TADF contribuyó en gran medida a su intensidad de radioluminiscencia y sensibilidad a los rayos X notablemente mejoradas", dice Wang.

Debido a su transferencia de energía de los rayos X a la luz con una eficiencia cercana al 100 por ciento, el centelleador de nanocompuestos alcanzó una resolución de imagen de unos pocos cientos de micrómetros y un límite de detección 22 veces menor que las dosis típicas de imágenes médicas de rayos X, agrega Wang.

El concepto se confirmó cuando el equipo empleó una estrategia estrechamente relacionada, que demostró que el cromóforo TADF también podía combinarse con nanoláminas de perovskitas para producir nanocompuestos con un excelente rendimiento de centelleo de imágenes de rayos X. Nuevamente, la transferencia de energía eficiente habilitada por la distancia ultracorta entre las capas y el uso directo del cromóforo TADF de los estados excitados de singlete y triplete fueron clave. En este caso, el límite de detección del material se mejoró aún más, alcanzando 142 veces menos que una dosis típica de imágenes médicas de rayos X.

"Nuestra estrategia de transferencia de energía promueve centelleadores de imágenes de rayos X orgánicos de un campo de investigación casi muerto a una de las aplicaciones más emocionantes para la radiología y la detección de seguridad. También se aplica a otras aplicaciones de conversión de luz, incluidos los diodos emisores de luz y las células solares, dice Mahoma. "Estamos planeando mejorar aún más el rendimiento de nuestros centelleadores de imágenes de rayos X a gran escala antes de llevarlos al mercado". + Explora más

Chiral TADF-active polymers for high-efficiency, circularly polarized organic light-emitting diodes