Los científicos han logrado un gran avance al mejorar significativamente la nitidez de las imágenes de rayos X y potencialmente aumentar la velocidad a la que se pueden procesar las exploraciones de rayos X. Esto sienta las bases para obtener mejores imágenes médicas y una autorización de seguridad más rápida.
La clave del avance es una capa de oro agregada a los dispositivos que ayudan a visualizar rayos X.
Los rayos X utilizados en los escaneos de salud y seguridad son invisibles, pero se pueden visualizar usando detectores que tienen materiales "centelleantes" que absorben la radiación y se "iluminan" de una manera similar a la pintura que brilla en la oscuridad. La luz visible emitida por los materiales centelleantes es capturada por sensores para crear imágenes basadas en rayos X. Cuanto más brillante sea la luz, más nítidas y detalladas serán las imágenes.
Los investigadores, codirigidos por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y el Centro Polaco de Desarrollo Tecnológico de la Red de Investigación Lukasiewicz-PORT de Polonia, descubrieron que agregar una capa de oro a los materiales centelleantes hacía que la luz visible que emitían era un 120% más brillante. De media, la luz emitida tenía una intensidad de unos 88 fotones por kiloelectronvoltio, según datos del estudio publicado en Advanced Materials. mostró.
Como resultado, las imágenes de rayos X producidas fueron, en general, un 38 % más nítidas y la capacidad de distinguir entre diferentes partes de las imágenes mejoró en un 182 %.
Con la capa de oro, el tiempo que tardaron los materiales centelleantes en dejar de emitir luz después de absorber los rayos X también se redujo en 1,3 nanosegundos en promedio, o casi un 38%, lo que significa que estaban listos para la siguiente ronda de radiación más rápidamente. Esto sugiere el potencial del oro para acelerar el procesamiento de las exploraciones con rayos X.
Estos aumentos pueden explicarse porque el oro es "plasmónico", lo que significa que los electrones del metal reaccionan a la radiación moviéndose en patrones ondulatorios sincronizados, similares a las ondas que se forman después de dejar caer una piedra al agua.
Estos electrones ondulantes, también llamados plasmones, pueden interactuar con materiales centelleantes para acelerar la emisión de luz visible por parte de los materiales después de que reaccionan con los rayos X. Esto hace que la luz emitida se vuelva más intensa.
Esto contrasta con los materiales no plasmónicos, cuyos electrones no interactúan con la radiación de la misma manera. Como resultado, no se mueven de forma ondulatoria coordinada y no aceleran la emisión de luz visible de los materiales centelleantes.
Para la investigación, los experimentos utilizaron oro de sólo 70 nanómetros de espesor, o aproximadamente 1.000 veces más fino que un mechón de cabello. El uso de una fina capa de oro ayuda a mantener bajos los costes de material y mantiene compacto el tamaño de los futuros detectores de rayos X.
Los investigadores agregaron la capa de oro plasmónico a un material centelleante llamado bromuro de plomo de butilamonio, de la familia de compuestos "perovskita". Las perovskitas son conocidas por su capacidad de convertir la luz solar en electricidad en células solares.
Este estudio "nanoplasmónico" se llevó a cabo en colaboración entre la Alianza de Investigación CNRS-Internacional-NTU-Thales, un laboratorio de investigación conjunto franco-singapurense con sede en NTU; Institut Lumière Matière CNRS con sede en la Université Claude Bernard Lyon 1 en Francia; y Nano Center Indonesia.
El profesor asistente de Nanyang, Wong Liang Jie, codirector del estudio de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de NTU Singapur, dijo:"Nuestros resultados resaltan el enorme potencial de la nanoplasmónica en la optimización de sistemas de imágenes ultrarrápidos donde se necesita una alta resolución espacial y un alto contraste, como como bioimagen de rayos X y microscopía."
El profesor asistente Wong dijo que las mejoras en la detección de rayos X demostradas por el estudio también beneficiarán la autorización de seguridad del aeropuerto, ya que los artículos en el equipaje podrían detectarse más fácilmente con imágenes de rayos X más nítidas y de mayor calidad, mientras que las maletas podrían inspeccionarse más. rápidamente.
El Dr. Muhammad Danang Birowosuto, codirector del estudio de la Red de Investigación Lukasiewicz-Centro Polaco de Desarrollo Tecnológico PORT y ex investigador de NTU, dijo:"La combinación de esta mejora con otras tecnologías dará como resultado funcionalidades de última generación en radiación imágenes, como mejorar el análisis de rayos X realizado en color o mejorar la precisión de las imágenes médicas de rayos X de "tiempo de vuelo".
Un portavoz de la corporación multinacional Thales dijo que "la idea de combinar los fenómenos físicos de las estructuras fotónicas (estructuras que cambian el comportamiento de la luz) con materiales centelleantes para detectores de rayos X representa un concepto interesante para aumentar la eficiencia de la generación actual de detectores. "
"Thales continúa siguiendo los avances científicos en esta área con gran interés y acoge con satisfacción el avance del profesor asistente Wong en esta área", añadió el portavoz.
La inspiración para utilizar oro como material plasmónico junto con materiales centelleantes surgió de la unión de dos áreas de investigación que no se habían explorado antes para los detectores de rayos X.
Los miembros del equipo de investigación descubrieron previamente que después de que ciertas sustancias absorbieran la luz visible, también emitían luz visible, que podría volverse más brillante si se añadía oro plasmónico fino a escala nanométrica.
En ese momento, otros miembros del equipo, que estudian cómo las estructuras nanométricas mejoran la generación de rayos X, también estaban trabajando en la detección de rayos X.
Al observar los hallazgos nanoplasmónicos, al equipo se le ocurrió una idea:dado que la detección de rayos X en los escáneres de rayos X también depende de sustancias que absorben la radiación para emitir luz visible, ¿podrían los materiales plasmónicos a nanoescala aumentar los detectores en estos escáneres?
Luego, los científicos se propusieron demostrar esto experimentalmente con oro.
Los investigadores planean a continuación agregar patrones en forma de muescas de tamaño nanométrico a la superficie de la capa de oro para aumentar la luz visible emitida por los materiales centelleantes que absorben rayos X, ya que investigaciones anteriores han demostrado que pequeñas muescas pueden mejorar la producción de luz visible.
El Dr. Dennis Schaart, jefe de la sección de física y tecnología médica del departamento de ciencia y tecnología de la radiación de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, dijo que los hallazgos "abren una nueva vía para la mejora de los detectores de imágenes de radiación basados en centelleadores".
Los centelleadores convierten fotones de rayos X o rayos gamma en señales de luz mensurables para aplicaciones como imágenes médicas en tomografías computarizadas (TC), pruebas no destructivas como las de control de calidad en la producción industrial y autorizaciones de seguridad mediante escáneres de equipaje en aeropuertos. /P>
El Dr. Schaart, que investiga tecnologías novedosas para imágenes médicas y oncología radioterápica y que no participó en el estudio, dijo que los límites de rendimiento de los mecanismos de centelleo comúnmente conocidos están cerca de alcanzarse. Pero sigue habiendo una demanda persistente de soluciones aún mejores.
"Los hallazgos presentados en esta última investigación señalan el camino hacia una nueva clase de detectores de centelleo en los que la intensidad y la velocidad de la emisión de luz se mejoran mediante la manipulación de fenómenos mecánico-cuánticos", afirmó.
"En principio, esto ofrece perspectivas muy interesantes para que los desarrolladores de centelleadores diseñen materiales óptimos para una amplia variedad de aplicaciones. Si los resultados presentados en la investigación pueden reproducirse y ampliarse hacia centelleadores producidos industrialmente, esto probablemente contribuirá, por ejemplo, a obtener más diagnóstico médico preciso, más asequible y más accesible, así como análisis de seguridad más rápidos."
Más información: Wenzheng Ye et al, El efecto Purcell nanoplasmónico en centelleadores de perovskita ultrarrápidos y de alto rendimiento luminoso, Materiales avanzados (2024). DOI:10.1002/adma.202309410
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Nanyang
