Um nanocompósito que absorve os raios X e então, com eficiência quase perfeita, reemite a energia capturada como luz, poderia ajudar a melhorar a imagem médica de alta resolução e a triagem de segurança. A transferência de energia de quase 100 por cento do material pode trazer ganhos de eficiência em dispositivos que vão desde diodos emissores de luz (LEDs) e cintiladores de imagem de raios-X, até células solares.
Durante um procedimento de imagem médica, os raios X que passam pelo corpo são absorvidos por um material cintilador, que converte os raios X em luz para um sensor do tipo câmera digital capturar. “Até o momento, os cintiladores de alto desempenho consistem principalmente em cerâmica que precisa de condições de preparação severas e caras ou materiais de perovskita que têm baixa estabilidade ao ar e à luz e alta toxicidade”, disse Jian-Xin Wang, um pós-doutorado no laboratório de Omar Mohammed que liderou o trabalho.
Os materiais cintiladores orgânicos, em contraste, têm boa processabilidade e estabilidade, mas baixa resolução de imagem e sensibilidade de detecção devido ao baixo peso atômico – e, portanto, absorção limitada de raios-X – de seus átomos componentes.
Mohammed e seus colegas agora melhoraram a captura de raios-X de cintiladores orgânicos combinando-os com uma estrutura metal-orgânica (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, que incorpora zircônio de alto peso atômico dentro de estruturas altamente ordenadas.
Quando a camada MOF do nanocompósito foi atingida por raios X, excitons – pares excitados de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente – foram gerados. Esses portadores de energia foram facilmente transferidos do MOF para o cromóforo orgânico do TADF, auxiliados pela distância ultracurta entre eles, e a energia foi emitida como luz.
Criticamente para a eficiência geral do nanocompósito, o cromóforo TADF emitia luz independentemente da forma do exciton. Os excitons “singletes” resultaram na emissão direta de luz e o cromóforo TADF converteu prontamente os excitons “tripletos” não emissivos no estado singlete emissivo. “O aproveitamento direto de excitons singleto e tripleto dos cromóforos TADF contribuiu muito para sua intensidade de radioluminescência notavelmente aprimorada e sensibilidade aos raios-X”, disse Wang.
Devido à sua transferência de energia quase 100 por cento eficiente dos raios X para a luz, o cintilador nanocompósito alcançou resolução de imagem abaixo de algumas centenas de micrômetros e um limite de detecção 22 vezes menor do que as doses típicas de imagens médicas de raios X, acrescenta Wang.
O conceito foi confirmado quando a equipe empregou uma estratégia intimamente relacionada, mostrando que o cromóforo TADF também poderia ser combinado com nanofolhas perovskitas para produzir nanocompósitos com excelente desempenho de cintilador de imagem de raios-X. Novamente, a transferência eficiente de energia habilitada pela distância ultracurta entre as camadas e o uso direto do cromóforo TADF de estados excitados de singleto e tripleto foram fundamentais. Nesse caso, o limite de detecção do material foi aumentado ainda mais, chegando a 142 vezes menor do que uma dose típica de imagens médicas de raios-X.
“Nossa estratégia de transferência de energia promove cintiladores de imagem de raios-X orgânicos de um campo de pesquisa quase morto em uma das aplicações mais interessantes para radiologia e triagem de segurança. Também se aplica a outras aplicações de conversão de luz, incluindo diodos emissores de luz e células solares, “Mohammed diz. “Estamos planejando melhorar ainda mais o desempenho de nossos cintiladores de imagem de raios-X em grande escala antes de colocá-los no mercado.”
Publicado em 19/12/2021 07h07
Artigo original:
Estudo original: