Szintillatoren sind Detektoren, die hochenergetische Röntgenstrahlen oder Partikel durch Lichtblitze sichtbar machen und so ein Bild erzeugen. Ihre vielfältigen Anwendungen umfassen Teilchenphysik, medizinische Bildgebung, Röntgensicherheit und mehr.
Trotz ihrer Nützlichkeit stellen Szintillatoren die Forscher jedoch vor ein Rätsel. Bis vor Kurzem mussten Wissenschaftler bei der Auswahl der geeigneten Szintillatortechnologie für ein bestimmtes Experiment entscheiden, ob schnelle Bildgebung oder optimale Leistung wichtiger sind.
Wissenschaftler am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben möglicherweise einen Weg gefunden, dieses Dilemma zu lösen. Dabei handelt es sich um ein Szintillatormaterial, das aus kugelförmigen Partikeln mit einer Größe von 20 Milliardstel Metern besteht. Die Forschung erscheint in Naturkommunikation.
Obwohl sie unglaublich klein sind, haben diese Nanopartikel eine komplizierte Struktur, die aus einem kugelförmigen Kern aus Cadmiumsulfid besteht, der von einer dünnen Hülle aus Cadmiumselenid und einer dickeren Hülle aus Cadmiumsulfid umgeben ist. An diesem Projekt arbeiteten Wissenschaftler des DOE Oak Ridge National Laboratory, der Bowling Green State University (BGSU) und der Northwestern University mit.
Aufgrund quantenmechanischer Effekte verfügen diese Nanopartikel über wertvolle optische und elektronische Eigenschaften, die bei größeren Partikeln nicht möglich sind. Die BGSU-Wissenschaftler synthetisierten diese Nanopartikel, sogenannte Quantenschalen, um ein engmaschiges Gitter zu bilden, das das Szintillatormaterial bildete.
Es eignet sich für die Detektion ultraschneller Strahlung sowie für die hochauflösende Bildgebung, die mit Röntgenlichtquellen wie der Advanced Photon Source (APS) in Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, möglich ist.
Eine alltägliche Anwendung der Szintillatortechnologie findet sich in einer Zahnarztpraxis, wo Röntgenstrahlen durch den Mund eines Patienten auf einen Film aus einem reaktiven Material gestrahlt werden, der ein Bild der Zähne aufprägt, damit der Zahnarzt es auf mögliche Defekte überprüfen kann.
Obwohl diese Art der Bildgebung für Zahnärzte oder Ärzte, die Röntgenaufnahmen des Brustkorbs durchführen, nützlich ist, ist sie weit von der Leistung und Präzision entfernt, die für die nanoskalige Bildgebung, wie sie am APS durchgeführt wird, erforderlich sind. Dafür sind Szintillatormaterialien erforderlich, die effizient sind, schnell reagieren, eine hohe räumliche Auflösung haben, langlebig sind und auf große Größen skaliert werden können.
Die vom Forscherteam kürzlich entwickelten Quantenschalen erfüllen diese Kriterien. „Quantenhüllen eignen sich vielleicht für die Bildgebung in der Zahnarztpraxis, aber viel besser eignen sie sich für Szintillatoren an einer Lichtquelle wie dem APS oder für die Röntgenbildgebung von Motoren, während diese mit Flüssigkeiten im Inneren laufen“, sagte Burak Guzelturk , ein Physiker in der Röntgenwissenschaftsabteilung von Argonne.
„Wenn herkömmliche Szintillatoren durch Röntgenstrahlen angeregt werden, emittieren sie Licht und es hat eine charakteristische Lebensdauer“, sagte Benjamin Diroll, Wissenschaftler am Center for Nanoscale Materials, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne.
„In einigen von ihnen kann es Hunderte von Nanosekunden oder Mikrosekunden sein. Der Quantenhüllen-Szintillator erreicht eine Lebensdauer im einstelligen Nanosekundenbereich und behält gleichzeitig die Effizienzniveaus bei, die denen herkömmlicher Szintillatoren entsprechen.“
Guzeltürk verglich Quantenschalen mit einem anderen ähnlichen lichtemittierenden Material, Quantenpunkten. „Bei einem Quantenpunkt kommt die Lichtemission typischerweise aus dem mittleren Teil des Nanoobjekts, und die Farbe des emittierten Lichts hängt von seiner Größe ab. Bei den Quantenschalen hingegen stammt die Lichtemission nicht aus dem Kern, aber es ist eigentlich die angrenzende Hülle im Nanopartikel.
Die Dicke dieser Hülle bestimmt, wie Licht emittiert wird. Aus Quantenschalen hergestelltes Szintillatormaterial kann eine schnelle, klar definierte Bildgebung und langfristige Haltbarkeit liefern.
Klassische Szintillatoren sind in der Regel ziemlich dick. Dadurch können sie vorne, hinten oder in der Mitte aufleuchten, was dazu führt, dass das gewünschte Bild unscharf wird. Quantenschalenszintillatoren vermeiden dieses Problem, da sie als dünner Film auf einem Substratmaterial hergestellt werden können.
„Kommerzielle Szintillatoren, die aus leichteren Elementen bestehen, müssen millimeterdick sein“, erklärte Guzeltürk. „In unserem Fall haben wir erkannt, dass wir Quantenschalenszintillatoren viel dünner machen können, nur ein paar Mikrometer, und gleichzeitig eine starke Röntgenabsorption und eine Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung erreichen können.“
Mit der Einführung von Quantenschalenszintillatoren für hochauflösende und ultraschnelle Bildgebung sind Wissenschaftler in der Lage, die Einschränkungen der herkömmlichen Szintillatortechnologie zu umgehen. Diese bahnbrechende Arbeit zeigt das bemerkenswerte Potenzial dieser nanoskaligen Quantenmaterialien. Durch die Nutzung ihrer einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften können Forscher neue Grenzen in Bereichen von der Teilchenphysik bis zur medizinischen Diagnostik erschließen.
Weitere Informationen:
Burak Guzelturk et al., Helle und dauerhafte Szintillation aus kolloidalen Quantenhüllen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48351-9