Le matériau des cellules solaires a le potentiel de révolutionner l'imagerie médicale

Les rayons X peuvent causer des dommages et des cancers en raison de matériaux de détecteur de mauvaise qualité.

Les techniques avancées d'imagerie par rayons X, telles que la fluoroscopie par rayons X, ont amélioré les soins médicaux, mais la réduction du débit de dose de rayons X réduirait les dommages aux patients et permettrait de nouvelles applications. Le plus faible débit de dose de rayons X détectable par les instruments de radiologie est actuellement fixé par les matériaux d'atténuation utilisés dans les détecteurs.

Une équipe de chercheurs dirigée par les universités d'Oxford et de Cambridge a découvert que l'oxyiodure de bismuth (BiOI), un matériau de cellule solaire, peut détecter des taux de dosage de rayons X presque 250 fois inférieurs aux meilleurs détecteurs disponibles dans le commerce. Cela a le potentiel de rendre l'imagerie médicale plus sûre tout en ouvrant de nouvelles opportunités pour les diagnostics non invasifs tels que les approches vidéo à rayons X.

Le Dr Robert Hoye de l'Université d'Oxford, qui a dirigé les travaux, a déclaré : « Nous avons développé des monocristaux BiOI en détecteurs de rayons X qui fonctionnent plus de 100 fois mieux que l'état de l'art actuel pour l'imagerie médicale. BiOI est non toxique, stable dans l'air et peut être cultivé de manière rentable et à grande échelle. Nous sommes très enthousiasmés par le potentiel de BiOI pour rendre la prochaine génération de diagnostics non invasifs plus accessible, plus sûre et plus efficace.

BiOI est un semi-conducteur non toxique qui absorbe la lumière visible et maintient sa stabilité dans l'air. En raison de ces propriétés, ce matériau a suscité un intérêt croissant au cours de la dernière décennie pour les cellules solaires (convertissant la lumière du soleil en électricité propre), les cellules photoélectrochimiques (convertissant la lumière du soleil en carburants) et la récupération d'énergie pour alimenter des appareils intelligents, parmi beaucoup d'autres. applications.

Les tentatives précédentes pour transformer BiOI en détecteurs de rayons X ont échoué en raison de pertes d'énergie élevées causées par des défauts causés par la structure nanocristalline des détecteurs.

Les chercheurs ont créé et breveté une méthode pour utiliser des techniques évolutives à base de vapeur pour générer des monocristaux de haute qualité de BiOI.

Les courants d'obscurité stables et ultra-faibles produits par la faible densité de défauts de ces cristaux étaient essentiels pour augmenter de manière significative la sensibilité aux rayons X et la limite de détection du matériau.

Le professeur Judith Driscoll du département des sciences des matériaux et de la métallurgie de Cambridge, qui a co-dirigé les travaux, a déclaré : « Montrer que ces cristaux stables, développés à basse température et traités simplement, peuvent donner une sensibilité aussi élevée pour la détection des rayons X est tout à fait remarquable. Nous avons commencé à travailler sur ce matériau, BiOI, il y a plusieurs années, et nous constatons qu'il surpasse les autres matériaux rivaux dans une gamme d'applications optoélectroniques et de détection lorsque la toxicité et les performances sont considérées ensemble. »

Les chercheurs ont créé une équipe interdisciplinaire pour déterminer pourquoi BiOI fonctionne si efficacement en tant que détecteur de rayons X. Ils ont utilisé des techniques optiques avancées pour résoudre des événements se produisant en des billionièmes de seconde. Ils les ont combinés avec des simulations pour relier ces processus à ce qui se passe au niveau atomique.

Ils ont découvert une voie unique permettant aux électrons de se connecter aux vibrations dans le réseau, entraînant un canal de perte d'énergie irréversible. Contrairement à d'autres composés d'halogénure de bismuth, les électrons de BiOI restent délocalisés, permettant aux électrons de circuler facilement et rapidement à l'intérieur du réseau BiOI.

Dans le même temps, l'interaction électronique unique avec les vibrations du réseau crée une voie de perte d'énergie irréversible qui existerait même si le matériau était sans défaut.

Pour surmonter ces pertes, refroidissez l'échantillon pour réduire l'énergie thermique ou appliquez un champ électrique pour extraire les électrons du réseau. Ce dernier cas est parfaitement compatible avec le fonctionnement des détecteurs de rayons X.

Les électrons peuvent être transférés sur une échelle millimétrique en générant un petit champ électrique. Cela permet l'extraction efficace des électrons créés dans les monocristaux par absorption des rayons X.

Le Dr Bartomeu Monserrat du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie de Cambridge, qui a co-dirigé le projet, a déclaré : "Nous avons construit un modèle microscopique de mécanique quantique d'électrons et d'ions qui peut expliquer pleinement les propriétés optoélectroniques remarquables de BiOI qui en font un tel bon matériel pour la détection par rayons X."

Cela fournit un cadre pour le développement de différents matériaux avec des caractéristiques favorables similaires. Une nouvelle étude met en lumière la manière d'obtenir des porteurs de charge délocalisés dans des complexes d'halogénure de bismuth.

Les chercheurs se concentrent maintenant sur le développement de matériaux présentant des caractéristiques favorables similaires à BIOI, ainsi que sur la manière de modifier la composition de BIOI pour optimiser encore plus ses propriétés de transport.

Ils travaillent également à apporter les avantages uniques de BIOI à la société en développant des méthodes pour augmenter l'échelle des détecteurs BIOI tout en préservant les caractéristiques extraordinaires observées dans les monocristaux.

L'étude a également impliqué des chercheurs de l'Imperial College de Londres, de l'Université Queen Mary de Londres, de l'Université technique de Munich et du CNRS de Toulouse.

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