Portal informacyjny
Nauki ścisłe
W poszukiwaniu świetlnych odpowiedzi
Obrazowanie rentgenowskie, diagnostyka medyczna, fotowoltaika, systemy bezpieczeństwa – to tylko kilka obszarów zastosowań, które mogą rozwinąć się dzięki pracy fizyków z UMK. Zespół kierowany przez prof. Winicjusza Drozdowskiego bada nową grupę wysokowydajnych materiałów scyntylacyjnych. Wyniki są bardzo obiecujące.
Przedmiotem badań Zespołu Spektroskopii Materiałów Scyntylacyjnych i Fosforów w Instytucie Fizyki UMK, w skład którego - obok prof. dr. hab. Winicjusza Drozdowskiego - wchodzą prof. dr hab. Andrzej J. Wojtowicz, dr inż. Michał Makowski, dr Marcin E. Witkowski oraz mgr Abdellah Bachiri, są procesy generacji światła w materiałach nieorganicznych aktywowanych jonami ziem rzadkich, stanowiących potencjalne scyntylatory. W dużej mierze interesują ich te, które mogą być przydatne w nowoczesnej diagnostyce medycznej.
Scyntylatory są substancjami emitującymi światło w wyniku absorpcji promieniowania jonizującego. W dużym skrócie proces ten wygląda następująco: scyntylator pochłania energię promieniowania jonizującego, np. gamma, beta, a następnie emituje promieniowanie elektromagnetyczne o znacznie większej długości fali - z zakresu nadfioletu, światła widzialnego czy podczerwieni – tłumaczy prof. Winicjusz Drozdowski.
- Nie trzeba należeć do grona naukowców, aby czerpać korzyści z tej gałęzi fizyki – dodaje dr inż. Michał Makowski. - Wystarczy wspomnieć, iż materiały scyntylacyjne są wykorzystywane chociażby w medycynie ratującej ludzkie życie. Jednym z takich zastosowań jest pozytonowa tomografia emisyjna (PET – ang. positron emission tomography) służąca do obrazowania medycznego ciała pacjenta.
Scyntylatory motywacją rozwoju badań
Dr Makowski w pigułce przybliża historię materiałów scyntylacyjnych w swojej rozprawie doktorskiej. Badania nad tego typu materiałami zaczynają się na początku XX w. od wolframianu wapnia (CaWO4) oraz siarczku cynku domieszkowanego jonami srebra (ZnS:Ag).
- Przez około 40 lat znano wyłącznie te dwa materiały. Drugi etap w historii scyntylatorów rozpoczął się, gdy wynaleziono pierwszy fotopowielacz, co zapoczątkowało potężny wzrost zainteresowania tego typu materiałami i - co za tym idzie - odkrywanie nowych, coraz lepszych związków – wyjaśnia dr Makowski.
Kolejnym ważnym punktem dla rozwoju scyntylatorów był rok 1970. Ulepszono wówczas znane i dostępne metody hodowli kryształów, co umożliwiło produkcję materiałów o znacznie wyższej temperaturze topnienia.
- Dodatkowo od tego momentu materiały te zaczęto domieszkować jonami ceru. Odkrycie bromku lantanu aktywowanego cerem w 2000 r. zakończyło umowny etap trzeci w historii scyntylatorów i można powiedzieć, że obecnie znajdujemy się w jej czwartym etapie – dodaje fizyk.
- I tak z roku na rok obszar użyteczności scyntylatorów zatacza coraz szersze kręgi, a to z kolei motywuje postęp badań i rozwój technologii. Warto jednak dodać, że przez dziesięciolecia nacisk kładziono na izolatory, zarówno oparte na emisjach własnych, jak i aktywowane jonami ziem rzadkich, stąd mechanizmy scyntylacji w izolatorach są względnie dobrze poznane i opisane - mówi prof. Drozdowski. – Inaczej wygląda sytuacja w przypadku półprzewodników. Chociaż rozważano takie scyntylatory, jak dotąd poświęcono im znacznie mniej uwagi, zaś możliwość aktywacji ziemiami rzadkimi pomijano całkowicie ze względu na relatywnie niewielką szerokość przerwy energii wzbronionych. Nasz ostatni projekt, finansowany wspólnie przez Narodowe Centrum Nauki i Deutsche Forschungsgemeinschaft, poświęcony jest poprawie własności scyntylacyjnych obiecującego materiału półprzewodnikowego, jakim jest tlenek galu β-Ga2O3. Bazujemy tu na współpracy z berlińskim Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, który dostarcza nam do badań kryształy wytwarzane metodą Czochralskiego. Dziś jednak chcemy opowiedzieć o innych badaniach, prowadzonych wspólnie z naukowcami z Singapuru.
Kryształy emitujące światło
Nową obiecującą grupą wysokowydajnych materiałów scyntylacyjnych o możliwym zastosowaniu m.in. w fotowoltaice, diagnostyce medycznej i systemach bezpieczeństwa są halogenki ołowiu o strukturze perowskitu. W ostatnim czasie to właśnie nimi, obok wspomnianego tlenku galu, zajmowała się grupa kierowana przez prof. Drozdowskiego. Naukowcy przebadali próbki, przeanalizowali otrzymane wyniki oraz przygotowali zestawienie materiałów, które mają potencjał w rozwoju wielu branż. Badania prowadzili w ścisłej, trwającej już 7 lat, współpracy z Uniwersytetem Technologicznym Nanyang (NTU) w Singapurze.
- Próbki przygotowali badacze z NTU, większość eksperymentów natomiast przeprowadzono w Toruniu: zmierzono tu widma radioluminescencji w funkcji temperatury, termoluminescencji i widma wysokości impulsu, przeprowadzono też kompletną analizę otrzymanych wyników – wyjaśnia prof. Drozdowski.
Efektem współpracy polskich i singapurskich naukowców są artykuły naukowe, publikowane w renomowanych, wysokopunktowanych czasopismach, m.in. "Chemistry of Materials", "Journal of Materials Chemistry C", "RSC Advances", "Scientific Reports" czy ostatnio "ACS Applied Materials & Interfaces".
W pierwszej z prac o tej tematyce z udziałem toruńskich fizyków pt. "Library of Two-Dimensional Hybrid Lead Halide Perovskite Scintillator Crystals" omówiono właściwości scyntylacyjne 11 organicznych i nieorganicznych hybrydowych kryształów o strukturze perowskitu.
- Perowskit jest rodzajem minerału, który został po raz pierwszy odkryty w górach Ural i nazwany tak od założyciela rosyjskiego towarzystwa geograficznego, mineraloga Lwa Perovskiego – wyjaśnia dr Marcin E. Witkowski. – Do grupy materiałów o strukturze perowskitu zalicza się każdy związek, który ma taką samą budowę jak minerał perowskitu, nie musi być organiczny. Perowskity występują naturalnie w przyrodzie, można je również wytworzyć w warunkach laboratoryjnych. Metoda nie jest skomplikowana, nie wymaga też specjalistycznej aparatury i drogich substratów.
Perowskity wykazują wiele interesujących właściwości, takich jak nadprzewodnictwo czy magnetoopór. Są świetnymi absorbentami promieniowania - dodaje dr Witkowski.
Zaledwie kilka lat temu odkryto, że mogą być idealnym materiałem do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Pochłaniają promieniowanie z zakresu widzialnego (o długości fali 400-800 nm), którego energia może zostać przekonwertowana na energię elektryczną. Jednym z wielu możliwych zastosowań są akumulatory pojazdów elektrycznych. Co warte podkreślenia, perowskity dobrze się rozpuszczają oraz są dość elastyczne.
Można je nanosić sprayem np. na tworzywa sztuczne. Wystarczy zaś dość cienka warstwa, by spełniały swoją rolę, czyli pochłaniały światło – tłumaczy dr Witkowski. – Perowskity stały się "gwiazdą fotowoltaiki", dając nadzieję na szybki rozwój tej technologii.
Obiecujące kropki kwantowe
Jednym z materiałów, którym w ostatnim czasie zajął się zespół fizyków z UMK, a który coraz bardziej zyskuje na znaczeniu pod kątem potencjalnych zastosowań w obrazowaniu rentgenowskim, jest CsPbBr3 w postaci kropek kwantowych (QD). Co więcej, materiał ten wykazuje świetne właściwości optyczne oraz scyntylacyjne. Na potrzeby badań członkowie grupy z NTU przygotowali próbki składające się z kropek kwantowych (CsPbBr3) oraz nieaktywnej optycznie żywicy, której głównym zadaniem była ochrona kropek przed warunkami atmosferycznym. Należy bowiem dodać, że kropki kwantowe mają tę wadę, że są bardzo wrażliwe na warunki atmosferyczne, szczególnie wilgoć, która prowadzi do ich degradacji.
Ostatnia seria próbek z NTU składała się z kropek kwantowych materiału CsPbBr3 o grubości próbki około 200 μm. Badaliśmy kryształy o różnym stężeniu kropek kwantowym względem żywicy - było to odpowiednio 15, 40 i 50 proc. W naszych laboratoriach przebadaliśmy je pod względem własności scyntylacyjnych i luminescencyjnych – wyjaśnia prof. Drozdowski.
Podsumowując można powiedzieć, że wykazaliśmy, iż kropki kwantowe CsPbBr3 mają niezwykłe właściwości scyntylacyjne. Zachowują te same atrakcyjne cechy trójwymiarowych kryształów, jak m.in. prosty i szybki wzrost kryształów czy wysoka wydajność emisji przy odpowiednim wzbudzeniu – tłumaczy dr Makowski. - Nasze wyniki wskazują, że arkusze z QD CsPbBr3, zwłaszcza te o stężeniu 50 proc., mogą być potencjalnie stosowane m.in. do obrazowania rentgenowskiego.
Większość z eksperymentów przeprowadzonych przez zespół fizyków z UMK zostało opisanych w pracy "Stable and Bright Commercial CsPbBr3 Quantum Dot-Resin Layers for Apparent X ray Imaging Screen" (ACS Applied Materials & Interfaces). Jest to kolejna publikacja trwającej od 2015 r. współpracy z Uniwersytetem Technologicznym Nanyang (NTU) w Singapurze.
