Material de celdas solares sostenible podría revolucionar imágenes médicas
Actualizado el 30 May 2023
El uso de rayos X para obtener imágenes internas del cuerpo ha cambiado drásticamente los diagnósticos médicos no invasivos. Sin embargo, la alta dosis de rayos X requerida para estas técnicas de imagen, debido al bajo desempeño de los materiales detectores que se utilizan actualmente, puede hacer daño a los pacientes e incluso provocar cáncer. Ahora, los científicos han descubierto que el oxiyoduro de bismuto (BiOI), un material utilizado en las celdas solares, puede detectar tasas de dosis de rayos X 250 veces más bajas que los mejores detectores utilizados comercialmente. Este descubrimiento podría hacer que las imágenes médicas sean más seguras y allanar el camino para nuevos diagnósticos no invasivos, como las técnicas de video de rayos X.
BiOI es un semiconductor no tóxico que absorbe la luz visible y permanece estable en el aire, cualidades que han llevado a un creciente interés en su uso para celdas solares, celdas fotoelectroquímicas y recolección de energía para alimentar dispositivos inteligentes durante la última década. Además, la presencia de dos elementos pesados (bismuto y yodo) en BiOI facilita una fuerte absorción de rayos X. Sin embargo, los intentos anteriores de utilizar BiOI como detectores de rayos X resultaron ineficaces debido a las importantes pérdidas de energía provocadas por los defectos resultantes de la naturaleza nanocristalina de los detectores.
Un equipo de investigadores, dirigido conjuntamente por la Universidad de Oxford (Oxford, Reino Unido) y la Universidad de Cambridge (Cambridge, Reino Unido), ha desarrollado y patentado un método escalable basado en vapor para cultivar monocristales de BiOI de alta calidad. La baja densidad de defectos en estos cristales facilitó corrientes oscuras estables y ultrabajas, que mejoraron significativamente la sensibilidad y el límite de detección de este material a los rayos X. Para entender por qué BiOI funciona tan eficazmente como detector de rayos X, los investigadores realizaron técnicas ópticas avanzadas para resolver los 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.
El estudio colaborativo reveló la manera única en que los electrones se acoplan con las vibraciones en la red. A diferencia de otros compuestos de haluro de bismuto, los electrones en BiOI permanecen deslocalizados, lo que les permite moverse con facilidad y rapidez dentro de la red de BiOI. Simultáneamente, el acoplamiento único de electrones con las vibraciones de la red conduce a un canal de pérdida de energía irreversible que permanecería incluso si el material no tuviera defectos. Los investigadores determinaron que estas pérdidas podrían superarse reduciendo la energía térmica mediante el enfriamiento de la muestra o aplicando un campo eléctrico para separar los electrones de la red, lo que se alinea bien con la forma como funcionan los detectores de rayos X. Al aplicar un campo eléctrico menor, los electrones pueden transportarse en una escala milimétrica, facilitando la extracción eficiente de los electrones generados en los monocristales a través de la absorción de rayos X.
El estudio ofrece información valiosa sobre cómo se pueden lograr portadores de carga deslocalizados en compuestos de haluro de bismuto. Los investigadores ahora se están enfocando en aprovechar estos conocimientos para desarrollar materiales con propiedades similares a BiOI y en ajustar la composición de BiOI para mejorar aún más sus propiedades de transporte. También están trabajando para aumentar el tamaño de los detectores de BiOI mientras mantienen las propiedades excepcionales de los monocristales para brindar los beneficios únicos de BiOI a la sociedad.
“Hemos desarrollado monocristales de BiOI en detectores de rayos X que funcionan más de 100 veces mejor que las imágenes médicas actuales de ultima generación”, dijo Robert Hoye, profesor asociado de química inorgánica en 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”.
"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", agregó Judith Driscoll, profesora de la Universidad de Cambridge y codirectora del 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/de detección, cuando la toxicidad y el rendimiento se consideran juntos”.
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Universidad de Oxford
Universidad de Cambridge
