Las mejoras en el material que convierte los rayos X en luz, para imágenes médicas o industriales, podrían permitir una progreso de diez veces en la señal. – Ciencia diaria

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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 películas o fotosensores. También se utilizan para sistemas de visión nocturna y para investigación, por ejemplo, en detectores de partículas o microscopios electrónicos.

Los investigadores del MIT ahora han demostrado cómo la eficiencia de los centelleadores podría mejorarse al menos diez veces, y posiblemente incluso cien veces, modificando la superficie del material para crear ciertas configuraciones a nanoescala, como conjuntos de crestas de onda. 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 cualquier material existente.

Aunque llevará más tiempo y esfuerzo 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 radiografía. rayo.’imagen. En otras aplicaciones, como la inspección por rayos X de piezas fabricadas para el control de calidad, los nuevos centelleadores podrían permitir inspecciones con mayor precisión oa velocidades más altas.

Los resultados se describen en el diario. Ciencia, 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

Aunque 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. Al crear patrones en los materiales del centelleador en 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 los que acuñaron los «centelleadores nanofotónicos», dice Roques-Carmes, «puedes crear modelos directamente dentro de los centelleadores, o puedes pegar otro material que tenga agujeros a escala nanométrica. Las especificaciones dependen de la estructura y el material exactos. Para esta investigación, el equipo tomó un centelleador y perforó agujeros espaciados alrededor de 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 que lo hacen complicado de desentrañar. La estructura desarrollada por el equipo implica la integración de tres tipos diferentes de física, dice Roques-Carmes. Usando este sistema, encontraron 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 resultar en aplicaciones de imágenes médicas, que carecen de fotones ópticos, lo que significa que convertir los rayos X en luz óptica limita la calidad de la imagen. [In medical imaging,] no desea irradiar a sus pacientes con demasiadas radiografías, especialmente para la detección de rutina, y especialmente para pacientes jóvenes «, 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 brillan».

Soljacic dice que si bien sus experimentos han demostrado que es posible lograr una mejora de diez veces en las emisiones refinando aún más el diseño del modelo a nanoescala, «también mostramos que se puede lograr hasta 100 veces. [improvement]y creemos que también tenemos un camino para hacerlo aún mejor”, dice.

Soljacic señala que en otras áreas de la nanofotónica, un campo que se ocupa de cómo la luz interactúa con los materiales estructurados a nanoescala, 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 ha desarrollado para materiales brillantes podrían facilitar avances similares en esta tecnología, dice.

Las técnicas de nanofotónica “te dan la máxima potencia 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 por primera vez abre este campo del centelleo, lo abre completamente, para la aplicación de técnicas. nanofotónica». En términos más generales, el equipo cree que la combinación de nanofotónicos y centelleadores podría, en última instancia, permitir una resolución más alta, una dosis de rayos X más baja y una imagen de rayos X con resolución de energía.

Yablonovitch agrega que, si bien el concepto aún debe probarse en un dispositivo práctico, afirma que: «Después de años de investigación sobre cristales fotónicos en comunicaciones ópticas y otros campos, hace mucho tiempo que los cristales fotónicos deben aplicarse a los centelleadores, que son de gran importancia práctica todavía se ha descuidado «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 el Technion de 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, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y una Beca de Ingeniería de Mathworks.

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