Os cientistas fizeram um grande avanço ao melhorar significativamente a nitidez das imagens de raios X e potencialmente aumentar a velocidade com que as varreduras de raios X podem ser processadas. Isto estabelece as bases para melhores imagens médicas e uma autorização de segurança mais rápida.



A chave para o avanço é uma camada de ouro adicionada aos dispositivos que ajudam a visualizar os raios X.

Os raios X usados ​​em varreduras de saúde e segurança são invisíveis, mas podem ser visualizados usando detectores que possuem materiais “cintilantes” que absorvem a radiação e “acendem” de uma forma semelhante à tinta que brilha no escuro. A luz visível emitida pelos materiais cintilantes é capturada por sensores para criar imagens baseadas nos raios X. Quanto mais brilhante a luz, mais nítidos e detalhados serão os visuais.

Os pesquisadores, co-liderados pela Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) e pela Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Center for Technology Development da Polônia, descobriram que a adição de uma camada de ouro aos materiais cintilantes tornava a luz visível que eles emitiam 120% mais brilhante. Em média, a luz emitida tinha uma intensidade de cerca de 88 fótons por quiloelétron-volt, dados do estudo publicado na Advanced Materials mostrou.

Como resultado, as imagens de raios X produzidas foram, em geral, 38% mais nítidas e a capacidade de distinguir entre diferentes partes das imagens foi melhorada em 182%.

Com a camada de ouro, o tempo que os materiais cintilantes levaram para parar de emitir luz após absorverem os raios X também foi reduzido em 1,3 nanossegundos em média, ou quase 38%, o que significa que estavam prontos para a próxima rodada de radiação mais rapidamente. Isto sugere o potencial do ouro para acelerar o processamento de exames de raios X.

Ondulação de elétrons

Esses aumentos podem ser explicados porque o ouro é “plasmônico”, o que significa que os elétrons no metal reagem à radiação movendo-se em padrões de ondas sincronizadas, semelhantes às ondulações que se formam depois que uma pedra cai na água.

Esses elétrons ondulantes, também chamados de plasmons, podem interagir com materiais cintilantes para acelerar a emissão de luz visível pelos materiais após reagirem com os raios X. Isso então faz com que a luz emitida se torne mais intensa.

Isto contrasta com os materiais não plasmônicos, cujos elétrons não interagem com a radiação da mesma maneira. Como resultado, eles não se movem de maneira ondulatória coordenada e não aceleram a emissão de luz visível por materiais cintilantes.

Para a pesquisa, os experimentos usaram ouro com apenas 70 nanômetros de espessura, ou cerca de 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo. Usar uma fina camada de ouro ajuda a manter baixos os custos de material e mantém compacto o tamanho dos futuros detectores de raios X.

Os pesquisadores adicionaram a camada de ouro plasmônico a um material cintilante chamado brometo de chumbo de butilamônio, da família de compostos "perovskita". As perovskitas são conhecidas por sua capacidade de converter a luz solar em eletricidade em células solares.

Este estudo "nanoplasmônico" foi conduzido em colaboração entre a CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, um laboratório de pesquisa conjunto franco-cingapuriano com sede em NTU; Institut Lumière Matière CNRS com sede na Université Claude Bernard Lyon 1 na França; e Nano Center Indonésia.

O professor assistente de Nanyang, Wong Liang Jie, co-líder do estudo da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da NTU Cingapura, disse:"Nossos resultados destacam o enorme potencial da nanoplasmônica na otimização de sistemas de imagem ultrarrápidos onde alta resolução espacial e alto contraste são necessários, como como bioimagem de raios X e microscopia."

Asst Prof Wong disse que as melhorias na detecção de raios X demonstradas pelo estudo também beneficiam a autorização de segurança do aeroporto, já que os itens na bagagem podem ser detectados mais facilmente com imagens de raios X mais nítidas e de maior qualidade, enquanto as malas podem ser examinadas mais rapidamente.

Muhammad Danang Birowosuto, co-líder do estudo do Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Center for Technology Development e ex-pesquisador da NTU, disse:"Combinar esta melhoria com outras tecnologias resultará em funcionalidades de última geração em radiação imagens, como para aprimorar a análise de raios X feita em cores ou melhorar a precisão das imagens médicas de raios X do 'tempo de voo'."

Um porta-voz da multinacional Thales disse que "a ideia de combinar os fenômenos físicos das estruturas fotônicas - estruturas que mudam o comportamento da luz - com materiais cintilantes para detectores de raios X representa um conceito interessante para aumentar a eficiência da atual geração de detectores. "

"A Thales continua monitorando os avanços científicos nesta área com grande interesse e saúda o avanço do Asst Prof Wong nesta área", acrescentou o porta-voz.

Oportunidade de ouro

A inspiração para usar o ouro como material plasmônico junto com materiais cintilantes surgiu do casamento de duas áreas de pesquisa que não haviam sido exploradas antes para detectores de raios X.

Membros da equipe de pesquisa descobriram anteriormente que, depois de certas substâncias absorverem luz visível, elas também emitiam luz visível, que poderia ficar mais brilhante se fosse adicionado ouro plasmônico fino em escala nanométrica.

Na época, outros membros da equipe, que estudam como estruturas nanométricas melhoram a geração de raios X, também estavam trabalhando na detecção de raios X.

Olhando para as descobertas nanoplasmônicas, uma ideia ocorreu à equipe:como a detecção de raios X em scanners de raios X também depende de substâncias que absorvem radiação para emitir luz visível, poderiam os materiais plasmônicos em nanoescala aumentar os detectores nesses scanners?

Os cientistas então decidiram provar isso experimentalmente com ouro.

Os pesquisadores planejam em seguida adicionar padrões semelhantes a entalhes de tamanho nanométrico à superfície da camada de ouro para aumentar a luz visível emitida por materiais cintilantes que absorvem raios X, já que pesquisas anteriores mostraram que pequenos entalhes podem aumentar a produção de luz visível.

Dennis Schaart, chefe da seção de física médica e tecnologia do departamento de ciência e tecnologia de radiação da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, disse que as descobertas "abrem um novo caminho para o aprimoramento dos detectores de imagens de radiação baseados em cintiladores".

Os cintiladores convertem fótons de raios X ou raios gama em sinais de luz mensuráveis ​​para aplicações como imagens médicas em tomografia computadorizada (TC), testes não destrutivos como aqueles para garantia de qualidade na produção industrial e liberação de segurança usando scanners de bagagem em aeroportos.

Dr. Schaart - que pesquisa novas tecnologias para imagens médicas e radioterapia oncológica e não esteve envolvido no estudo - disse que os limites de desempenho dos mecanismos de cintilação comumente conhecidos estão perto de serem alcançados. Mas continua a existir uma procura persistente por soluções ainda melhores.

“As descobertas apresentadas nesta última pesquisa apontam o caminho para uma nova classe de detectores de cintilação em que a intensidade e a velocidade da emissão de luz são aumentadas através da manipulação de fenômenos da mecânica quântica”, disse ele.

"Em princípio, isso oferece perspectivas altamente interessantes para os desenvolvedores de cintiladores projetarem materiais ideais para uma ampla variedade de aplicações. Se os resultados apresentados na pesquisa puderem ser reproduzidos e dimensionados para cintiladores produzidos industrialmente, isso provavelmente contribuirá para, por exemplo, mais diagnóstico médico preciso, mais barato e mais acessível, bem como verificações de segurança mais rápidas."

Mais informações: Wenzheng Ye et al, The Nanoplasmonic Purcell Effect in Ultrafast and High Light-Yield Perovskite Cintilators, Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202309410
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pela Universidade Tecnológica de Nanyang