Fabrico ecológico de materiais híbridos como detectores de raios X altamente sensíveis
A produção é amiga do ambiente, utilizando moagem de bolas sem solventes
Novos materiais híbridos orgânico-inorgânicos à base de bismuto apresentam uma sensibilidade excecional e uma estabilidade a longo prazo como detectores de raios X, significativamente mais sensíveis do que os detectores de raios X comerciais. Além disso, estes materiais podem ser produzidos sem solventes por moagem de bolas, um processo de síntese mecanoquímica que é amigo do ambiente e escalável. Detectores mais sensíveis permitiriam uma redução da exposição à radiação durante os exames de raios X.
O pó é finamente moído com berlindes e depois prensado numa pastilha compacta que pode ser utilizada como detetor.
© BAM/HZB
A imagiologia por raios X é indispensável em diagnósticos médicos e na caraterização de materiais. Para gerar uma imagem, um detetor converte os raios X que atravessam o objeto em sinais eléctricos. Uma maior sensibilidade do detetor permite doses de radiação mais baixas, o que é particularmente importante em aplicações médicas.
Os detectores de raios X atualmente utilizados consistem em compostos inorgânicos de elementos com números atómicos médios a elevados. Nos últimos anos, os compostos inorgânicos de perovskite foram também testados como detectores de raios X com resultados muito bons.
Inspirado nos materiais de perovskite
Olena Maslyanchuk da HZB demonstrou que dois novos materiais híbridos orgânico-inorgânicos à base de bismuto podem ser utilizados para uma deteção de raios X altamente eficiente. Os dois materiais à base de bismuto explorados neste trabalho, [(CH3CH2)3S]6Bi8I30 e [(CH3CH2)3S]AgBiI5, foram inspirados pelo aparecimento de perovskitas de halogenetos em dispositivos opto-electrónicos e foram explorados pela primeira vez pelo Dr. Allan Starkholm durante o seu trabalho de tese de doutoramento no Instituto Real de Tecnologia de Estocolmo, Suécia.
Os números atómicos elevados, os intervalos de banda adequados e as caraterísticas estruturais únicas tornam-nas ideais para a deteção de raios X", afirma Starkholm: "Contêm catiões de sulfónio estáveis em vez dos catiões de amónio higroscópicos tradicionalmente utilizados, que são promissores para uma estabilidade a longo prazo".
Processo de fabrico amigo do ambiente
Em colaboração com a especialista da BAM, Franziska Emmerling, foi utilizado um processo de fabrico particularmente amigo do ambiente: a moagem de bolas. Este processo produz pós policristalinos que são depois prensados em pellets densos. Estes procedimentos também estão estabelecidos na indústria.
Até 50 vezes mais sensível
Em colaboração com a equipa do Dr. Felix Lang da Universidade de Potsdam, os novos materiais foram avaliados quanto à sua utilização em detectores de raios X. Os resultados mostram que têm um desempenho melhor do que os actuais detectores comerciais, mesmo durante longos períodos de tempo", afirma Starkholm. De facto, demonstram sensibilidades até duas ordens de grandeza superiores às dos materiais comerciais, como o selénio amorfo ou o CdZnTe, e podem detetar doses de raios X quase 50 vezes inferiores", afirma Starkholm.
Para além de uma análise exaustiva em laboratório, a equipa também estudou as amostras na linha de luz KMC-3 XPP do BESSY II. Os detectores mantiveram uma resposta estável durante a irradiação de raios X pulsados sob um fluxo de fotões de alta intensidade, não tendo sido observada qualquer degradação mensurável do desempenho após a exposição, o que realça a robustez dos materiais do detetor.
Perspectivas para a transferência de tecnologia
Mostrámos que estes materiais inteiramente novos à base de bismuto são excelentes candidatos para a deteção de raios X. Os nossos resultados destacam oportunidades interessantes para expandir a investigação de materiais híbridos no HZB para além da energia fotovoltaica, tanto dentro como fora do campo da perovskite. Detectores de raios X mais sensíveis permitiriam reduzir significativamente a exposição à radiação durante a imagiologia por raios X", afirma Olena Maslyanchuk.
A transferência de tecnologia é o próximo passo. Existem muitas empresas interessantes em Adlershof com as quais poderíamos trabalhar em conjunto para otimizar o desenvolvimento desses detectores de raios X", afirma Starkholm.
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Publicação original
Allan Starkholm, Dominik Al‐Sabbagh, Sema Sarisozen, Alexander von Reppert, Matthias Rössle, Markus Ostermann, Eva Unger, Franziska Emmerling, Lars Kloo, Per H. Svensson, Felix Lang, Olena Maslyanchuk; "Green Fabrication of Sulfonium‐Containing Bismuth Materials for High‐Sensitivity X‐Ray Detection"; Advanced Materials, 2025-4-10
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