Российские и китайские ученые предложили новый принцип создания материалов, которые превращают невидимое рентгеновское излучение в видимый свет. Такие материалы называют сцинтилляторами. Их используют в системах рентгеновской диагностики и других устройствах, где необходимо зарегистрировать рентгеновские лучи.
В исследовании участвовали специалисты Сибирского федерального университета, Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН и Южно-Китайского технологического университета. В качестве основы они выбрали металлорганические галогениды серебра — соединения серебра с йодом, бромом или хлором и органическими молекулами.
Главная задача заключалась в том, чтобы заставить материал терять как можно меньше энергии. При попадании рентгеновского излучения электроны переходят в возбужденное состояние. Часть из них может сразу отдать энергию в виде света, но другая оказывается в так называемом триплетном состоянии. В обычных материалах эта энергия в значительной степени рассеивается в виде тепла.
Ученые использовали механизм термоактивированной замедленной флуоресценции (TADF). Он позволяет возвращать электроны из триплетного состояния в синглетное с помощью тепловой энергии, доступной уже при комнатной температуре. После этого энергия снова может превратиться в свет. Подобный подход уже применяется при разработке материалов для рентгеновской визуализации.
Еще одна проблема галогенидов серебра связана с их структурой. Атомы серебра могут объединяться в кластеры, из-за чего часть энергии вместо света превращается в тепло. Кроме того, некоторые такие материалы чувствительны к влаге. Исследователи решили эту проблему с помощью органических молекул — лигандов. Они окружают отдельные атомы серебра и не дают им сближаться. Одновременно такая структура ограничивает колебания атомов и уменьшает потери энергии.
«Мы обнаружили неочевидную вещь: самый легкий галоген (хлор) дал самый яркий результат, хотя обычно ждут, что чем тяжелее атом, тем лучше. Это произошло именно потому, что хлор создал самую жесткую и упорядоченную структуру, которая максимально пресекла потери энергии. Полученный результат весьма универсален. Этот принцип — «создай жесткую клетку для металла и подбери правильный галоген» — можно применять не только к серебру. Металлы с похожим электронным строением (так называемые d10-металлы, например, медь) могут вести себя аналогично. Это как рецепт: если вы будете следовать ему, вы сможете создать эффективный сцинтиллятор из похожих ингредиентов».
Максим Молокеев, доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ и старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики ИФ СО РАН
Такой подход может быть полезен для создания рентгеновских экранов. Одно из преимуществ подобных материалов — возможность синтезировать их в растворе при относительно низких температурах, в отличие от некоторых традиционных неорганических сцинтилляторов, которые требуют высокотемпературного выращивания.
В перспективе это может упростить создание больших и гибких экранов для рентгеновской визуализации. Такие технологии применяются не только в медицине, но и при досмотре багажа, а также для неразрушающего контроля деталей, сварных соединений и композитных материалов.
Читайте также:
ИИ-агент превратил ChronobioticsDB в цифрового ассистента фармаколога
В ИТМО создали ловушку для света для будущих оптических чипов ИИ
В России запатентовали устройство для контроля температурного поля в СВЧ-реакторах