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Uma equipe de pesquisadores da Florida State University desenvolveu uma nova geração de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos que podem melhorar a qualidade da imagem em máquinas de raios-X, tomografias e outras tecnologias de detecção e imagem de radiação.
O professor Biwu Ma, do Departamento de Química e Bioquímica, e seus colegas desenvolveram uma nova classe de materiais que podem atuar como cintiladores altamente eficientes, que emitem luz após serem expostos a outras formas de radiações de alta energia, como raios-X.
O estudo mais recente da equipe, publicado na Materiais avançados, é uma melhoria em suas pesquisas anteriores para desenvolver melhores cintiladores. O novo conceito de design produz materiais que podem emitir luz em nanossegundos, ordens de magnitude mais rápidas do que os materiais desenvolvidos anteriormente, permitindo uma melhor imagem.
“Reduzir o tempo de vida de decaimento da radioluminescência dos cintiladores para nanossegundos é um avanço importante”, disse Ma. “Usar um material híbrido composto de componentes orgânicos e inorgânicos significa que cada componente pode ser usado na parte do processo em que é mais eficaz.”
Cintiladores são usados em todos os tipos de aplicações de imagem. Ambientes de saúde, raios-X de segurança, detectores de radiação e outras tecnologias os utilizam e se beneficiariam de uma melhor qualidade de imagem.
A nova geração de cintiladores híbridos de haleto de metal orgânico desenvolvidos pela equipe de Ma apresenta inúmeras melhorias em relação aos existentes. Além de uma resposta de radioluminescência significativamente melhor, o processo de fabricação é mais simples do que o processo usado para outros cintiladores e utiliza materiais abundantes e baratos.
Pense em um cintilador como uma espécie de tradutor entre dois tipos de energia, assumindo uma forma de radiação de alta energia, como um raio-X, e convertendo-a em luz visível. Menos radiação passa pelas partes mais densas de um objeto, e essa diferença pode ser usada para distinguir objetos de maior densidade, como ossos ou metal, de objetos de menor densidade, como tecidos moles. A radiação que passa por um objeto interage com o cintilador, que gera luz visível que é detectada por um sensor para formar uma imagem.
Os cintiladores de hoje usam principalmente materiais inorgânicos para transformar radiação de alta energia em luz visível para produzir imagens. Esses materiais são rígidos, usam elementos de terras raras e requerem processos de fabricação de alta temperatura e que consomem muita energia.
Ma e sua equipe têm trabalhado em híbridos de haletos metálicos orgânicos de dimensão zero, com os quais realizam pesquisas pioneiras desde 2018. Esses híbridos orgânico-inorgânicos são feitos de pequenos grupos de componentes inorgânicos carregados negativamente, chamados aglomerados de haletos metálicos, e carregados positivamente moléculas orgânicas. Eles são “dimensionais zero” no nível molecular porque os aglomerados de haletos metálicos são totalmente isolados e cercados por moléculas orgânicas.
Na primeira versão dos cintiladores baseados nesse material, os haletos metálicos absorvem radiação de alta energia e emitem luz visível. Nesta última iteração, componentes de haletos metálicos e moléculas orgânicas trabalham juntos. Os haletos metálicos absorvem radiação de alta energia e transferem energia para os componentes orgânicos, que emitem luz visível.
As emissões de luz de moléculas orgânicas ocorrem na escala de nanossegundos, muito mais rápido do que os microssegundos ou milissegundos necessários para que os haletos metálicos emitam luz.
“Quanto mais rápido o decaimento da radioluminescência, mais preciso podemos medir o tempo das emissões de fótons”, disse Ma. “Isso leva a uma maior resolução e contraste nas imagens.”
Com a ajuda do Escritório de Comercialização da FSU, Ma e sua equipe registraram patentes de cintiladores híbridos de haleto metálico orgânico. O Programa de Investimento em Comercialização GAP do escritório forneceu financiamento para desenvolver a tecnologia para possíveis parcerias com empresas privadas, o que tornaria os cintiladores disponíveis em uma escala mais ampla.
“Esta é uma continuação de nosso esforço por materiais melhores ao longo dos anos, de 2018, quando descobrimos essa classe de materiais, até 2020, quando os usamos para cintilação pela primeira vez”, disse Ma. “Este é outro grande avanço.”
Este estudo foi financiado pela National Science Foundation e pela Florida State University.
O primeiro autor deste artigo foi o aluno de pós-graduação da FSU, Tunde Blessed Shonde. Outros co-autores foram Maya Chaaban, He Liu, Oluwadara Joshua Olasupo, Azza Ben-Akacha, Fabiola G. Gonzalez, Kerri Julevich, Xinsong Lin, JS Raaj Vellore Winfred, todos da FSU, e Luis M. Stand e Mariya Zhuravleva da Universidade do Tennessee, Knoxville.
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