Профессор Биву Ма с факультета химии и биохимии и его коллеги разработали новый класс материалов, которые могут действовать как высокоэффективные сцинтилляторы, которые излучают свет после воздействия других форм высокоэнергетического излучения, таких как рентгеновские лучи.

Самое последнее исследование команды, опубликованное в Передовые материалы, является улучшением по сравнению с их предыдущими исследованиями по разработке более совершенных сцинтилляторов. Новая концепция дизайна позволяет создавать материалы, которые могут излучать свет в течение наносекунд, на порядки быстрее, чем ранее разработанные материалы, что позволяет получать более качественную визуализацию.

"Сокращение времени затухания радиолюминесценции сцинтилляторов до наносекунд является важным прорывом", - сказал Ма. "Использование гибридного материала, состоящего как из органических, так и из неорганических компонентов, означает, что каждый компонент может быть использован для той части процесса, где он наиболее эффективен".

Сцинтилляторы используются во всех видах приложений для получения изображений. Медицинские учреждения, рентгеновские аппараты безопасности, детекторы излучения и другие технологии используют их и выиграли бы от улучшения качества изображения.

Новое поколение гибридных сцинтилляторов на основе органических галогенидов металлов, разработанных командой Ма, имеет множество улучшений по сравнению с существующими. В дополнение к значительно лучшей характеристике радиолюминесценции, производственный процесс проще, чем процесс, используемый для других сцинтилляторов, и в нем используются многочисленные и дешевые материалы.

Представьте себе сцинтиллятор как своего рода преобразователь между двумя типами энергии, принимающий форму высокоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи, и преобразующий его в видимый свет. Меньшее количество излучения проходит через более плотные части объекта, и это различие может быть использовано для отличия объектов с более высокой плотностью, таких как кости или металл, от объектов с более низкой плотностью, таких как мягкие ткани. Излучение, проходящее через объект, затем взаимодействует со сцинтиллятором, который генерирует видимый свет, который регистрируется датчиком для создания изображения.

Современные сцинтилляторы используют в основном неорганические материалы для преобразования высокоэнергетического излучения в видимый свет для получения изображений. Эти материалы жесткие, в них используются редкоземельные элементы, и для их изготовления требуются энергозатратные высокотемпературные процессы.

Ма и его команда работают над гибридами органических галогенидов металлов нулевого размера, с которыми они проводят новаторские исследования с 2018 года. Эти органо-неорганические гибриды состоят из небольших групп отрицательно заряженных неорганических компонентов, называемых кластерами галогенидов металлов, и положительно заряженных органических молекул. Они "безразмерны" на молекулярном уровне, потому что кластеры галогенидов металлов полностью изолированы и окружены органическими молекулами.

В первой версии сцинтилляторов на основе этого материала галогениды металлов поглощают излучение высокой энергии и излучают видимый свет. В этой последней итерации компоненты из галогенидов металлов и органические молекулы работают вместе. Галогениды металлов поглощают излучение высокой энергии и передают энергию органическим компонентам, которые излучают видимый свет.

Излучение света органическими молекулами происходит в масштабе наносекунд, намного быстрее, чем микросекунды или миллисекунды, необходимые для излучения света галогенидами металлов.

"Чем быстрее затухает радиолюминесценция, тем точнее мы можем измерить время испускания фотонов", - сказал Ма. "Это приводит к более высокому разрешению и контрастности изображений".

С помощью Управления коммерциализации Бывшего Советского Союза Ма и его команда подали патенты на гибридные сцинтилляторы на основе органических галогенидов металлов. Инвестиционная программа управления по коммерциализации GAP предоставила финансирование для разработки технологии для потенциальных партнерств с частными компаниями, что сделало бы сцинтилляторы доступными в более широком масштабе.

"Это продолжение нашего стремления к улучшению материалов на протяжении многих лет, с 2018 года, когда мы впервые открыли этот класс материалов, до 2020 года, когда мы впервые использовали их для сцинтилляции", - сказал Ма. "Это еще один крупный прорыв".

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и Университетом штата Флорида.

Первым автором этой статьи был аспирант из Бывшего Советского Союза Тунде Блессед Шонде. Другими соавторами были Майя Чаабан, Хе Лю, Олувадара Джошуа Оласупо, Азза Бен-Акача, Фабиола Г. Гонсалес, Керри Юлевич, Синсун Лин, Дж. С. Раадж Веллор Уинфред, все из Бывшего Советского Союза, а также Луис М. Стенд и Мария Журавлева из Университета Теннесси в Ноксвилле.