Le nanocomposite offre des rayons X à l’image précise


Image radiographique précise

Les chercheurs du KAUST ont mis au un scintillateur à rayons X organique très efficace et sans réabsorption qui présente un potentiel important pour les applications de radiographie médicale et de dépistage de sécurité. Crédits photos : KAUST ; Ella Marushchenko

Un nanocomposite qui absorbe les rayons X et libère ensuite l’énergie capturée sous forme de lumière avec une efficacité presque parfaite pourrait aider à améliorer l’imagerie médicale haute résolution et l’habilitation de sécurité. Le transfert d’énergie de près de 100 % du matériau pourrait entraîner une efficacité accrue dans dispositifs allant des diodes électroluminescentes (DEL) aux scintillateurs à rayons X et aux cellules solaires.

Lors d’une procédure d’imagerie médicale, les rayons X traversant le corps sont absorbés par un matériau scintillateur qui convertit les rayons X en lumière pouvant être détectée par un capteur de type appareil photo numérique. « Jusqu’à présent, les scintillateurs haute performance étaient principalement constitués de céramiques, qui nécessitent des conditions de préparation difficiles et coûteuses, ou de matériaux pérovskites, qui ont une faible stabilité à l’air et à la lumière et une toxicité élevée », explique Jian-Xin Wang, post-doctorant dans le laboratoire d’Omar Mohammed. qui a fait le travail.

Les matériaux scintillateurs organiques, d’autre part, ont une bonne aptitude au traitement et une bonne stabilité, mais une résolution d’image et une sensibilité de détection faibles en raison du faible poids atomique – et donc de l’absorption limitée des rayons X – de leurs constituants atomiques.

Mohammed et ses collègues ont maintenant amélioré l’imagerie aux rayons X des scintillateurs organiques en les combinant avec une structure organométallique (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, qui contient du zirconium de poids atomique élevé dans des structures hautement ordonnées.

Lorsque les rayons X ont frappé la couche MOF du nanocomposite, des excitons – des paires excitées d’électrons chargés négativement et de trous chargés positivement – ont été créés. Ces porteurs d’énergie ont été facilement transférés du MOF au chromophore organique TADF, aidés par la distance ultra-courte entre eux, et l’énergie a été émise sous forme de lumière.

Il est crucial pour l’efficacité globale du nanocomposite que le chromophore TADF émet de la lumière quelle que soit la forme de l’exciton. Les excitons « singulet » ont entraîné une émission de lumière directe et le chromophore TADF a facilement converti les excitons « triplet » non émissifs en l’état singulet émissif. « L’utilisation directe des excitons singulet et triplet des chromophores TADF a grandement contribué à leur intensité de radioluminescence et à leur sensibilité aux rayons X remarquablement améliorées », a déclaré Wang.

En raison de son transfert d’énergie efficace de près de 100 % des rayons X à la lumière, le scintillateur nanocomposite a atteint une résolution d’image de plusieurs centaines de microns et une limite de détection 22 fois inférieure aux doses d’imagerie médicale aux rayons X typiques, ajoute Wang.

Le concept a été confirmé lorsque l’équipe a utilisé une stratégie étroitement liée qui a montré que le chromophore TADF pouvait également être combiné avec des nanofeuillets de pérovskite pour produire des nanocomposites avec d’excellentes performances de scintillateur à rayons X. Ici aussi, le transfert d’énergie efficace, rendu possible par la distance ultra-courte entre les couches, et l’utilisation directe des états singulet et triplet excités par le chromophore TADF ont été déterminants. Dans ce cas, la limite de détection du matériau a été encore améliorée, atteignant une dose 142 fois inférieure à une dose d’imagerie radiologique typique.

« Notre stratégie de transfert d’énergie consiste à déplacer les scintillateurs à rayons X organiques d’un domaine de recherche presque mort vers l’une des applications les plus passionnantes pour la radiologie et les tests de sécurité. Cela s’applique également à d’autres applications de conversion de lumière telles que les diodes électroluminescentes et les cellules solaires », explique Mohammed. « Nous prévoyons d’améliorer encore les performances de nos scintillateurs à rayons X grand format avant de les commercialiser. »


Polymères chiraux à activité TADF pour des diodes électroluminescentes organiques à polarisation circulaire hautement efficaces


Plus d’information:
Jian-Xin Wang et al., Transfert d’énergie de près de 100 % à l’interface des structures métallo-organiques pour les scintillateurs d’imagerie à rayons X, matière (2021). DOI : 10.1016 / j.matt.2021.11.012

Jian-Xin Wang et al., Perovskite Nanosheet Sensitizer for High Efficiency Organic X-ray Scintillator, Lettres énergétiques ACS (2021). DOI : 10.1021 / acsenergylett.1c02173

Fourni par l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Devis: Le nanocomposite des rayons X parfaits pour l’image (2021, 15 décembre), consulté le 15 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-nanocomposite-picture-perfect-x-ray-capture.html

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