Inspirando-se em uma fonte incomum, uma equipe do Sandia National Laboratories melhorou drasticamente a ciência dos cintiladores - objetos que detectam ameaças nucleares. De acordo com a equipe, o uso de cintiladores de vidro orgânico em breve tornará ainda mais difícil o contrabando de materiais nucleares pelos portos e fronteiras da América.

A equipe do Sandia Labs desenvolveu um cintilador feito de vidro orgânico que é mais eficaz do que o material de detecção de ameaça nuclear mais conhecido, embora seja muito mais fácil e barato de produzir.

O vidro orgânico é um material à base de carbono que pode ser derretido e não turvar ou cristalizar com o resfriamento. Os resultados bem-sucedidos dos testes da equipe do projeto de Não Proliferação Nuclear de Defesa em cintiladores de vidro orgânico são descritos em um artigo publicado esta semana em The Journal of the American Chemical Society .

O cientista de materiais e investigador principal do Sandia Labs, Patrick Feng, começou a desenvolver classes alternativas de cintiladores orgânicos em 2010. Feng explicou que ele e sua equipe começaram a "fortalecer a segurança nacional melhorando a relação custo-desempenho dos detectores de radiação na linha de frente de todos material se movendo para o país. " Para melhorar essa proporção, a equipe precisava preencher a lacuna entre os melhores, mais brilhante, material cintilador mais sensível e os custos mais baixos de materiais menos sensíveis.

A inspiração de diodos emissores de luz leva a um aumento de desempenho

A equipe projetou, sintetizou e avaliou novas moléculas cintiladoras para este projeto com o objetivo de compreender a relação entre as estruturas moleculares e as propriedades de detecção de radiação resultantes. Eles fizeram progressos ao encontrar cintiladores capazes de indicar a diferença entre materiais nucleares que poderiam ser ameaças potenciais e normais, fontes não ameaçadoras de radiação, como aqueles usados ​​para tratamentos médicos ou a radiação naturalmente presente em nossa atmosfera.

A equipe relatou pela primeira vez os benefícios do uso de vidro orgânico como material cintilador em junho de 2016. O químico orgânico Joey Carlson disse que novos avanços realmente se tornaram possíveis quando ele percebeu que os cintiladores se comportam muito como diodos emissores de luz.

Com LEDs, uma fonte conhecida e quantidade de energia elétrica é aplicada a um dispositivo para produzir uma quantidade desejada de luz. Em contraste, os cintiladores produzem luz em resposta à presença de um material de fonte de radiação desconhecido. Dependendo da quantidade de luz produzida e da velocidade com que a luz aparece, a fonte pode ser identificada.

Apesar dessas diferenças nas formas como operam, tanto os LEDs quanto os cintiladores aproveitam a energia elétrica para produzir luz. O fluoreno é uma molécula emissora de luz usada em alguns tipos de LEDs. A equipe descobriu que era possível alcançar as qualidades mais desejáveis ​​- estabilidade, transparência e brilho - incorporando fluoreno em seus compostos cintiladores.

Empurrando cristais e plásticos

O material cintilador padrão ouro nos últimos 40 anos tem sido a forma cristalina de uma molécula chamada transestilbeno, apesar de intensa pesquisa para desenvolver um substituto. O transestilbeno é altamente eficaz na diferenciação entre dois tipos de radiação:raios gama, que são onipresentes no meio ambiente, e nêutrons, que emanam quase exclusivamente de materiais de ameaça controlada, como plutônio ou urânio. O transestilbeno é muito sensível a esses materiais, produzindo uma luz brilhante em resposta à sua presença.

Mas é preciso muita energia e vários meses para produzir um cristal transestilbeno de apenas alguns centímetros de comprimento. Os cristais são incrivelmente caros, cerca de $ 1, 000 por polegada cúbica, e eles são frágeis, portanto, eles não são comumente usados ​​no campo.

Em vez de, os cintiladores mais comumente usados ​​nas bordas e portas de entrada são os plásticos. Eles são comparativamente baratos em menos de um dólar por polegada cúbica, e podem ser moldados em formatos muito grandes, o que é essencial para a sensibilidade do cintilador. Como Feng explicou, "Quanto maior for o seu detector, quanto mais sensível será, porque há uma chance maior de que a radiação o atinja. "

Apesar desses aspectos positivos, plásticos não são capazes de diferenciar com eficiência os tipos de radiação - um tubo de hélio separado é necessário para isso. O tipo de hélio usado nesses tubos é raro, não renovável e aumenta significativamente o custo e a complexidade de um sistema cintilador de plástico. E os plásticos não são particularmente brilhantes, em apenas dois terços da intensidade do trans-estilbeno, o que significa que eles não detectam bem fontes fracas de radiação.

Por estas razões, A equipe da Sandia Labs começou a fazer experiências com vidros orgânicos, que são capazes de discriminar entre os tipos de radiação. Na verdade, A equipe de Feng descobriu que os cintiladores de vidro superam até mesmo o transestilbeno em testes de detecção de radiação - eles são mais brilhantes e melhores em discriminar entre os tipos de radiação.

Outro desafio:os compostos de vidro iniciais que a equipe fez não eram estáveis. Se os óculos esquentassem demais por muito tempo, eles iriam se cristalizar, que afetou seu desempenho. A equipe de Feng descobriu que a mistura de compostos contendo fluoreno às moléculas de vidro orgânico os tornava indefinidamente estáveis. Os vidros estáveis ​​também podem ser derretidos e fundidos em grandes blocos, que é um processo mais fácil e menos caro do que fazer plásticos ou transestilbeno.

Do laboratório aos portos

O trabalho até agora mostra estabilidade indefinida em um laboratório, o que significa que o material não se degrada com o tempo. Agora, o próximo passo em direção à comercialização é lançar um protótipo de cintilador de vidro orgânico muito grande para teste de campo. Feng e sua equipe querem mostrar que os cintiladores de vidro orgânico podem suportar a umidade e outras condições ambientais encontradas nos portos.

A Administração de Segurança Nuclear Nacional financiou o projeto por mais dois anos. Isso dá à equipe tempo para ver se eles podem usar cintiladores de vidro orgânico para atender às necessidades adicionais de segurança nacional.

Daqui para frente, Feng e sua equipe também planejam fazer experimentos com o vidro orgânico até que ele possa distinguir entre as fontes de raios gama que não são ameaçadoras e aquelas que podem ser usadas para fazer bombas sujas.