Se ha demostrado que el material de células solares sostenibles es muy prometedor para las imágenes médicas
Un equipo de investigadores, dirigido conjuntamente por las universidades de Oxford y Cambridge, descubrió que un material de celda solar, el oxiyoduro de bismuto (BiOI), es capaz de detectar tasas de dosis de rayos X más de 250 veces más bajas que los detectores actuales de mejor rendimiento utilizados comercialmente. . Esto tiene el potencial de hacer que las imágenes médicas sean más seguras y abrir nuevas oportunidades en diagnósticos no invasivos, como las técnicas de video de rayos X. Sus resultados se publican en la revista NaturalezaComunicaciones.
“Hemos desarrollado monocristales de BiOI en detectores de rayos X que funcionan 100 veces mejor que el estado actual de la técnica para imágenes médicas”, dijo el Dr. Robert Hoye de la Universidad de Oxford, quien dirigió el trabajo. “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 es estable en el aire. Debido a estas cualidades, durante la última década ha habido un gran interés en este material para células solares (que convierten la luz solar en electricidad limpia), células fotoelectroquímicas (que convierten la luz solar en combustibles) y recolección de energía para alimentar dispositivos inteligentes, entre muchas otras aplicaciones. .
BiOI contiene dos elementos pesados, bismuto y yodo, lo que permite que el material absorba fuertemente los rayos X. Sin embargo, los intentos anteriores de convertir BiOI en detectores de rayos X fueron ineficaces debido a las importantes pérdidas de energía por defectos derivados de la naturaleza nanocristalina de los detectores fabricados.
Los investigadores desarrollaron y patentaron un método para cultivar monocristales de BiOI de alta calidad utilizando un enfoque escalable basado en vapor. La baja densidad de defectos en estos cristales condujo a corrientes oscuras estables y ultrabajas, lo que fue fundamental para mejorar sustancialmente la sensibilidad y el límite de detección de este material a los rayos X.
«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», dijo la profesora Judith Driscoll del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge, quien codirigió el trabajo. “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 formaron un equipo interdisciplinario para comprender por qué BiOI funciona tan bien como detector de rayos X. Utilizaron técnicas ópticas avanzadas para resolver procesos que tienen lugar en una billonésima de segundo y las combinaron con simulaciones para vincular estos procesos con lo que sucede a nivel atómico.
A través de este estudio, el equipo reveló la forma inusual en que los electrones se acoplan a las vibraciones en la red. A diferencia de otros compuestos de haluro de bismuto, los electrones en BiOI permanecen deslocalizados, lo que significa que los electrones pueden moverse fácil y rápidamente dentro de la red de BiOI. Al mismo tiempo, el inusual acoplamiento de electrones con las vibraciones de la red da como resultado un canal de pérdida de energía irreversible que aún estaría presente incluso si el material no tuviera defectos.
Los investigadores descubrieron que estas pérdidas se pueden superar enfriando la muestra para reducir la energía térmica o aplicando un campo eléctrico para arrancar los electrones de la red. El último caso se combina idealmente con la forma en que funcionan los detectores de rayos X. Al aplicar un pequeño campo eléctrico, los electrones pueden transportarse en una escala de longitud milimétrica, lo que permite la extracción eficiente de los electrones generados en los monocristales a través de la absorción de rayos X.
«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 material tan bueno para la detección de rayos X», dijo el Dr. Bartomeu Monserrat del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge. quien codirigió el proyecto. “Esto nos brinda una hoja de ruta para diseñar aún más materiales con propiedades ventajosas similares.
Este trabajo ofrece información importante sobre cómo se pueden lograr portadores de carga deslocalizados en compuestos de haluro de bismuto. Los investigadores ahora están trabajando en la aplicación de estos conocimientos para diseñar materiales con propiedades ventajosas similares a las del BiOI, así como en cómo ajustar la composición del BiOI para mejorar aún más sus propiedades de transporte. También están trabajando para llevar los beneficios únicos de BiOI a la sociedad al diseñar rutas para aumentar el tamaño de los detectores de BiOI, al tiempo que preservan las propiedades excepcionales que se encuentran en los monocristales.
En el estudio también participaron investigadores del Imperial College London, la Queen Mary University London, la Technical University Munich y el CNRS de Toulouse.
Referencia:
RA Jagt, I. Bravic, et al. ‘Monocristales de BiOI en capas capaces de detectar bajas tasas de dosis de rayos X’. Comunicaciones de la naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38008-4
Adaptado de una historia de la Universidad de Oxford