O material da célula solar tem o potencial de revolucionar a imagiologia médica

Os raios-X podem causar danos e câncer devido a materiais de detecção ruins.

Técnicas avançadas de imagem de raios X, como a fluoroscopia de raios X, melhoraram os cuidados médicos, mas a redução da taxa de dose de raios X reduziria os danos ao paciente e permitiria novas aplicações. A taxa de dose mais baixa de raios X detectável por instrumentos de radiologia é atualmente definida pelos materiais de atenuação usados ​​nos detectores.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelas Universidades de Oxford e Cambridge descobriu que o oxi iodeto de bismuto (BiOI), um material de células solares, pode detectar taxas de dosagem de raios-X quase 250 vezes menores do que os melhores detectores disponíveis comercialmente. Isso tem o potencial de tornar as imagens médicas mais seguras e, ao mesmo tempo, abrir novas oportunidades para diagnósticos não invasivos, como abordagens de vídeo de raios-X.

O Dr. Robert Hoye, da Universidade de Oxford, que liderou o trabalho, disse: "Desenvolvemos cristais únicos BiOI em detectores de raios-X que funcionam 100 vezes melhor do que o estado da arte atual para imagens médicas. BiOI é atóxico, estável no ar e pode ser cultivado de forma econômica e em escala. Estamos muito entusiasmados com o potencial que o BiOI tem para tornar a próxima geração de diagnósticos não invasivos mais acessível, segura e eficaz."

O BiOI é um semicondutor atóxico que absorve a luz visível e mantém sua estabilidade no ar. Devido a essas propriedades, houve um aumento de interesse neste material na última década para células solares (convertendo a luz do sol em eletricidade limpa), células fotoeletroquímicas (convertendo a luz do sol em combustíveis) e coleta de energia para alimentar dispositivos inteligentes, entre muitos outros. formulários.

Tentativas anteriores de transformar BiOI em detectores de raios-X falharam devido a altas perdas de energia causadas por falhas causadas pela estrutura nanocristalina dos detectores.

Os pesquisadores criaram e patentearam um método para utilizar técnicas escalonáveis ​​baseadas em vapor para gerar cristais únicos de BiOI de alta qualidade.

As correntes escuras estáveis ​​e ultrabaixas produzidas pela baixa densidade de defeitos desses cristais foram essenciais para aumentar significativamente a sensibilidade aos raios X e o limite de detecção do material.

A professora Judith Driscoll, do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia de Cambridge, que co-liderou o trabalho, disse: “Mostrar que esses cristais estáveis, cultivados em baixa temperatura e simplesmente processados ​​podem fornecer uma sensibilidade tão alta para a detecção de raios-X é bastante notável. Começamos a trabalhar neste material, BiOI, há vários anos, e descobrimos que ele supera outros materiais rivais em uma variedade de aplicações optoeletrônicas e de detecção quando a toxicidade e o desempenho são considerados juntos."

Os pesquisadores criaram uma equipe interdisciplinar para determinar por que o BiOI funciona tão efetivamente como um detector de raios-X. Eles empregaram técnicas ópticas avançadas para resolver eventos que ocorrem em trilionésimos de segundo. Eles os combinaram com simulações para conectar esses processos ao que está acontecendo no nível atômico.

Eles descobriram uma rota única para os elétrons se conectarem às vibrações na rede, resultando em um canal de perda de energia irreversível. Ao contrário de outros compostos de haleto de bismuto, os elétrons no BiOI permanecem deslocalizados, permitindo que os elétrons fluam fácil e rapidamente dentro da rede BiOI.

Ao mesmo tempo, a interação única do elétron com as vibrações da rede cria uma rota de perda de energia irreversível que existiria mesmo se o material fosse livre de defeitos.

Para superar essas perdas, esfrie a amostra para reduzir a energia térmica ou aplique um campo elétrico para puxar os elétrons da rede. O último caso é perfeitamente compatível com o funcionamento dos detectores de raios X.

Os elétrons podem ser transferidos em uma escala de comprimento milimétrico, gerando um pequeno campo elétrico. Isso permite a extração efetiva de elétrons criados em monocristais por absorção de raios-X.

O Dr. Bartomeu Monserrat, do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia de Cambridge, que co-liderou o projeto, disse: "Construímos um modelo mecânico quântico microscópico de elétrons e íons que pode explicar completamente as notáveis ​​propriedades optoeletrônicas do BiOI que o tornam um bom material para detecção de raios-X."