El material de las células solares tiene el potencial de revolucionar las imágenes médicas

Los rayos X pueden causar daños y cáncer debido a los materiales deficientes del detector.

Las técnicas avanzadas de imágenes de rayos X, como la fluoroscopia de rayos X, han mejorado la atención médica, pero reducir la tasa de dosis de rayos X reduciría el daño al paciente y permitiría nuevas aplicaciones. La tasa de dosis más baja de rayos X detectable por los instrumentos de radiología está establecida actualmente por los materiales de atenuación utilizados en los detectores.

Un equipo de investigadores dirigido por las Universidades de Oxford y la Universidad de Cambridge descubrió que el oxiyoduro de bismuto (BiOI), un material de celda solar, puede detectar tasas de dosificación de rayos X casi 250 veces más bajas que los mejores detectores disponibles en el mercado. Esto tiene el potencial de hacer que las imágenes médicas sean más seguras y, al mismo tiempo, abre nuevas oportunidades para diagnósticos no invasivos, como los enfoques de video de rayos X.

El Dr. Robert Hoye de la Universidad de Oxford, quien dirigió el trabajo, dijo: "Hemos desarrollado monocristales de BiOI en detectores de rayos X que funcionan más de 100 veces mejor que el estado actual de la técnica para imágenes médicas. BiOI no es tóxico, es estable en el aire y se puede cultivar de manera rentable y a escala. Estamos muy entusiasmados con el potencial que tiene BiOI para hacer que la próxima generación de diagnósticos no invasivos sea más accesible, segura y efectiva".

BiOI es un semiconductor no tóxico que absorbe la luz visible y mantiene su estabilidad en el aire. Debido a estas propiedades, ha habido un aumento del interés en este material durante la última década para las celdas solares (que convierten la luz solar en electricidad limpia), las celdas fotoelectroquímicas (que convierten la luz solar en combustibles) y la recolección de energía para alimentar dispositivos inteligentes, entre muchos otros. aplicaciones

Los intentos anteriores de convertir BiOI en detectores de rayos X fallaron debido a las altas pérdidas de energía causadas por fallas causadas por la estructura nanocristalina de los detectores.

Los investigadores crearon y patentaron un método para utilizar técnicas escalables basadas en vapor para generar monocristales de BiOI de alta calidad.

Las corrientes oscuras estables y ultrabajas producidas por la baja densidad de defectos de estos cristales fueron esenciales para aumentar significativamente la sensibilidad a los rayos X y el límite de detección del material.

La profesora Judith Driscoll del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge, quien codirigió el trabajo, dijo: "Mostrar que estos cristales estables, cultivados a baja temperatura y procesados ​​de manera simple pueden brindar una sensibilidad tan alta para la detección de rayos X es bastante notable. Comenzamos a trabajar en este material, BiOI, hace varios años, y descubrimos que eclipsa a otros materiales rivales en una gama de aplicaciones optoelectrónicas y de detección cuando la toxicidad y el rendimiento se consideran juntos".

Los investigadores crearon un equipo interdisciplinario para determinar por qué BiOI funciona con tanta eficacia como detector de rayos X. Emplearon técnicas ópticas avanzadas para resolver eventos que ocurren en billonésimas de segundo. Los combinaron con simulaciones para conectar estos procesos con lo que sucede a nivel atómico.

Descubrieron una ruta única para que los electrones se conecten con las vibraciones en la red, lo que da como resultado un canal de pérdida de energía irreversible. A diferencia de otros compuestos de haluro de bismuto, los electrones en BiOI permanecen deslocalizados, lo que permite que los electrones fluyan fácil y rápidamente dentro de la red de BiOI.

Al mismo tiempo, la interacción única de electrones con las vibraciones de la red crea una ruta de pérdida de energía irreversible que existiría incluso si el material no tuviera defectos.

Para superar estas pérdidas, enfríe la muestra para reducir la energía térmica o aplique un campo eléctrico para extraer electrones de la red. Este último caso es perfectamente compatible con el funcionamiento de los detectores de rayos X.

Los electrones se pueden transferir en una escala de longitud milimétrica generando un pequeño campo eléctrico. Esto permite la extracción efectiva de electrones creados en monocristales por absorción de rayos X.

El Dr. Bartomeu Monserrat del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge, quien codirigió el proyecto, dijo: "Hemos construido un modelo mecánico cuántico microscópico de electrones e iones que puede explicar completamente las notables propiedades optoelectrónicas de BiOI que lo convierten en un buen material para la detección de rayos X".

Esto proporciona un marco para desarrollar diferentes materiales con características favorables similares. Un nuevo estudio arroja luz sobre cómo lograr portadores de carga deslocalizados en complejos de bismuto-haluro.

Los investigadores ahora se están enfocando en desarrollar materiales con características favorables similares a BIOI, así como también en cómo alterar la composición de BIOI para optimizar aún más sus propiedades de transporte.

También están trabajando para llevar los beneficios únicos de BIOI a la sociedad mediante el desarrollo de métodos para aumentar la escala de los detectores BIOI mientras se conservan las extraordinarias características observadas en los monocristales.

El estudio también involucró a investigadores del Imperial College London, Queen Mary University London, Technical University Munich y CNRS en Toulouse.

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