Um nanocompósito que absorve os raios X e, em seguida, com eficiência quase perfeita, reemite a energia capturada como luz, pode ajudar a melhorar as imagens médicas de alta resolução e a triagem de segurança. A transferência de energia de quase 100% do material pode trazer ganhos de eficiência em dispositivos que vão desde diodos emissores de luz (LEDs) e cintiladores de imagens de raios-X, até células solares.
Durante um procedimento de imagem médica, os raios X que passam pelo corpo são absorvidos por um material cintilador, que converte os raios X em luz para um sensor do tipo câmera digital capturar. "Até o momento, os cintiladores de alto desempenho consistem principalmente em cerâmica que precisa de condições de preparação duras e caras, ou materiais de perovskita que têm baixa estabilidade ao ar e à luz e alta toxicidade", diz Jian-Xin Wang, pós-doutorando no laboratório de Omar Mohammed que liderou o trabalho.

Os materiais de cintiladores orgânicos, em contraste, têm boa processabilidade e estabilidade, mas baixa resolução de imagem e sensibilidade de detecção devido ao baixo peso atômico - e absorção de raios X limitada - de seus átomos componentes.

Mohammed e seus colegas agora melhoraram a captura de raios-X de cintiladores orgânicos, combinando-os com uma estrutura metal-orgânica (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, que incorpora zircônio de alto peso atômico em estruturas altamente ordenadas.

Quando a camada MOF do nanocompósito foi atingida por raios-X, excitons – pares excitados de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente – foram gerados. Esses transportadores de energia foram prontamente transferidos do MOF para o cromóforo orgânico TADF, auxiliados pela distância ultracurta entre eles, e a energia foi emitida como luz.

Criticamente para a eficiência geral do nanocompósito, o cromóforo TADF emitiu luz independentemente da forma do exciton. Excitons "singlet" resultaram em emissão direta de luz, e o cromóforo TADF converteu prontamente excitons "triple" não emissivos no estado singleto emissivo. "O aproveitamento direto de excitons singleto e tripleto dos cromóforos TADF contribuiu muito para sua intensidade de radioluminescência notavelmente aprimorada e sensibilidade aos raios-X", diz Wang.

Devido à sua transferência de energia quase 100% eficiente dos raios X para a luz, o cintilador nanocompósito atingiu uma resolução de imagem de algumas centenas de micrômetros e um limite de detecção 22 vezes menor do que as doses típicas de imagens médicas de raios X, acrescenta Wang.

O conceito foi confirmado quando a equipe empregou uma estratégia intimamente relacionada, mostrando que o cromóforo TADF também poderia ser combinado com nanofolhas de perovskitas para produzir nanocompósitos com excelente desempenho de cintilador de imagens de raios-X. Mais uma vez, a transferência de energia eficiente possibilitada pela distância ultracurta entre as camadas e o uso direto do cromóforo TADF de estados excitados singleto e tripleto foram fundamentais. Nesse caso, o limite de detecção do material foi aprimorado ainda mais, chegando a 142 vezes menor do que uma dose típica de imagem médica de raios-X.

"Nossa estratégia de transferência de energia promove cintiladores de imagens de raios-X orgânicos de um campo de pesquisa quase morto em uma das aplicações mais interessantes para radiologia e triagem de segurança. Também se aplica a outras aplicações de conversão de luz, incluindo diodos emissores de luz e células solares, ", diz Mohammed. "Estamos planejando melhorar ainda mais o desempenho de nossos cintiladores de imagem de raios-X em grande escala antes de levá-los ao mercado." + Explorar mais

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