Cintiladores são materiais que emitem luz quando bombardeados com partículas de alta energia ou raios-X. Em sistemas de raios X médicos ou odontológicos, eles convertem a radiação de raios X recebida em luz visível que pode ser capturada usando filmes ou fotossensores. Eles também são usados ​​para sistemas de visão noturna e para pesquisa, como detectores de partículas ou microscópios eletrônicos.
Pesquisadores do MIT mostraram agora como é possível melhorar a eficiência dos cintiladores em pelo menos dez vezes, e talvez até cem vezes, alterando a superfície do material para criar certas configurações em nanoescala, como matrizes de cristas onduladas. Embora as tentativas anteriores de desenvolver cintiladores mais eficientes tenham se concentrado em encontrar novos materiais, a nova abordagem poderia, em princípio, funcionar com qualquer um dos materiais existentes.

Embora exija mais tempo e esforço para integrar seus cintiladores nas máquinas de raios-X existentes, a equipe acredita que esse método pode levar a melhorias nos exames de raios-X de diagnóstico médico ou tomografia computadorizada, para reduzir a exposição à dose e melhorar a qualidade da imagem. Em outras aplicações, como inspeção por raios X de peças fabricadas para controle de qualidade, os novos cintiladores podem permitir inspeções com maior precisão ou em velocidades mais rápidas.

As descobertas estão descritas na revista Science , em um artigo dos estudantes de doutorado do MIT Charles Roques-Carmes e Nicholas Rivera; os professores do MIT Marin Soljacic, Steven Johnson e John Joannopoulos; e outros 10.

Embora os cintiladores estejam em uso há cerca de 70 anos, grande parte da pesquisa no campo se concentrou no desenvolvimento de novos materiais que produzem emissões de luz mais brilhantes ou mais rápidas. A nova abordagem aplica avanços na nanotecnologia aos materiais existentes. Ao criar padrões em materiais cintiladores em uma escala de comprimento comparável aos comprimentos de onda da luz emitida, a equipe descobriu que era possível alterar drasticamente as propriedades ópticas do material.

Para fazer o que eles chamaram de "cintiladores nanofotônicos", diz Roques-Carmes, "você pode fazer padrões diretamente dentro dos cintiladores, ou pode colar em outro material que teria buracos em nanoescala. As especificidades dependem da estrutura e do material exatos. " Para esta pesquisa, a equipe pegou um cintilador e fez buracos espaçados por aproximadamente um comprimento de onda óptico, ou cerca de 500 nanômetros (bilionésimos de metro).

"A chave para o que estamos fazendo é uma teoria geral e uma estrutura que desenvolvemos", diz Rivera. Isso permite que os pesquisadores calculem os níveis de cintilação que seriam produzidos por qualquer configuração arbitrária de estruturas nanofotônicas. O próprio processo de cintilação envolve uma série de etapas, tornando-o complicado de desvendar. A estrutura que a equipe desenvolveu envolve a integração de três tipos diferentes de física, diz Roques-Carmes. Usando este sistema, eles encontraram uma boa correspondência entre suas previsões e os resultados de seus experimentos subsequentes.

As experiências mostraram uma melhoria de dez vezes na emissão do cintilador tratado. "Então, isso é algo que pode se traduzir em aplicações para imagens médicas, que são carentes de fótons ópticos, o que significa que a conversão de raios X em luz óptica limita a qualidade da imagem. pacientes com excesso de raios-X, especialmente para triagem de rotina, e especialmente para pacientes jovens também", diz Roques-Carmes.

"Acreditamos que isso abrirá um novo campo de pesquisa em nanofotônica", acrescenta. "Você pode usar muito do trabalho e da pesquisa existente no campo da nanofotônica para melhorar significativamente os materiais existentes que cintilam".

Soljacic diz que, embora seus experimentos tenham provado que uma melhoria de dez vezes na emissão poderia ser alcançada, ajustando ainda mais o design do padrão em nanoescala, "nós também mostramos que você pode obter até 100 vezes [melhoria], e acreditamos que também temos um caminho para torná-lo ainda melhor", diz ele.

Soljacic destaca que em outras áreas da nanofotônica, campo que trata de como a luz interage com materiais estruturados em escala nanométrica, o desenvolvimento de simulações computacionais permitiu melhorias rápidas e substanciais, por exemplo, no desenvolvimento de células solares e LEDs . Os novos modelos que esta equipe desenvolveu para materiais cintilantes podem facilitar saltos semelhantes nessa tecnologia, diz ele.

As técnicas de nanofotônica “dá a você o poder máximo de personalizar e melhorar o comportamento da luz”, diz Soljacic. "Mas até agora, essa promessa, essa capacidade de fazer isso com cintilação era inalcançável porque modelar a cintilação era muito desafiador. Agora, este trabalho pela primeira vez abre esse campo de cintilação, abre totalmente, para a aplicação de técnicas nanofotônicas ." De forma mais geral, a equipe acredita que a combinação de nanofotônicos e cintiladores pode, em última análise, permitir maior resolução, dose reduzida de raios-X e imagens de raios-X resolvidas por energia.

Yablonovitch acrescenta que, embora o conceito ainda precise ser comprovado em um dispositivo prático, ele diz que, "Após anos de pesquisa sobre cristais fotônicos em comunicação óptica e outros campos, é muito tarde que os cristais fotônicos devem ser aplicados a cintiladores, que são de grande importância prática ainda foram negligenciados" até este trabalho.

A equipe de pesquisa incluiu Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan e Nicolas Romeo no MIT; Yang Yu da Raith America, Inc.; e Ido Kaminer no Technion em Israel. O trabalho foi apoiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA por meio do Instituto de Nanotecnologias de Soldados, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e por uma bolsa de engenharia Mathworks. + Explorar mais

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