Team opdager fundamentalt ny måde at detektere stråling, der involverer billig keramik
De strålingsdetektorer, der bruges i dag til applikationer som inspektion af fragtskibe for indsmuglede nukleare materialer, er dyre og kan ikke fungere i barske miljøer, blandt andre ulemper. Nu har MIT-ingeniører demonstreret en fundamentalt ny måde at detektere stråling på, som kunne tillade meget billigere detektorer og et væld af nye applikationer.
De arbejder sammen med Radiation Monitoring Devices, et firma i Watertown, MA, for at overføre forskningen så hurtigt som muligt til detektorprodukter.
I et papir fra 2022 i Nature Materials , rapporterede mange af de samme ingeniører for første gang, hvordan ultraviolet lys markant kan forbedre ydeevnen af brændselsceller og andre enheder baseret på bevægelsen af ladede atomer, snarere end disse atomers elektroner.
I det aktuelle værk er det netop udgivet online i Advanced Materials , viser holdet, at det samme koncept kan udvides til en ny anvendelse:påvisning af gammastråler udsendt af radioaktivt henfald af nukleare materialer.
"Vores tilgang involverer materialer og mekanismer, der er meget anderledes end dem i detektorer, der bruges i øjeblikket, med potentielt enorme fordele i form af reducerede omkostninger, evne til at fungere under barske forhold og forenklet behandling," siger Harry L. Tuller, R.P. Simmons professor i keramik og elektroniske materialer i MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE).
Tuller leder arbejdet med vigtige samarbejdspartnere Jennifer L. M. Rupp, en MIT-lektor i materialevidenskab og teknik og nu fuld professor i elektrokemiske materialer ved Technical University München (TUM) i Tyskland, og Ju Li, Battelle Energy Alliance Professor i Nuklear Engineering og professor i materialevidenskab og teknik. Alle er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory
"Efter at have lært naturmaterialerne arbejde, indså jeg, at det samme underliggende princip burde fungere for gammastråledetektion – faktisk kan det fungere endnu bedre end [UV]-lys, fordi gammastråler er mere gennemtrængende – og foreslog nogle eksperimenter til Harry og Jennifer," siger Li.
Rupp siger:"Anvendelse af gammastråler med kortere rækkevidde gør [os] i stand til at udvide den opto-ioniske til en radioionisk effekt ved at modulere ionbærere og defekter ved materialegrænseflader med fotogenererede elektroniske."
Andre forfattere af Advanced Materials Paper er Thomas Defferriere, førsteforfatter og en DMSE-postdoc og Ahmed Sami Helal, en postdoc ved MIT's Department of Nuclear Science and Engineering.
Ændring af barrierer
Ladning kan føres gennem et materiale på forskellige måder. Vi er mest bekendt med den ladning, der bæres af de elektroner, der er med til at danne et atom. Almindelige anvendelser omfatter solceller. Men der er mange enheder – som brændselsceller og lithiumbatterier – der afhænger af bevægelsen af de ladede atomer, eller ioner, selv snarere end blot deres elektroner.
Materialerne bag applikationer baseret på bevægelser af ioner, kendt som faste elektrolytter, er keramik. Keramik er til gengæld sammensat af bittesmå krystallitkorn, der komprimeres og brændes ved høje temperaturer for at danne en tæt struktur. Problemet er, at ioner, der rejser gennem materialet, ofte hindres ved grænserne mellem kornene.
I deres papir fra 2022 viste MIT-teamet, at ultraviolet lys skinnede på en fast elektrolyt i det væsentlige forårsager elektroniske forstyrrelser ved korngrænserne, der i sidste ende sænker barrieren, som ioner støder på ved disse grænser. Resultatet:"Vi var i stand til at øge flowet af ionerne med en faktor tre," siger Tuller, hvilket sørger for et meget mere effektivt system.
Stort potentiale
På det tidspunkt var holdet begejstret for potentialet i at anvende det, de havde fundet, på forskellige systemer. I 2022-arbejdet brugte holdet ultraviolet lys, som hurtigt absorberes meget nær overfladen af et materiale. Som et resultat er den specifikke teknik kun effektiv i tynde film af materialer. (Heldigvis involverer mange anvendelser af faste elektrolytter tynde film.)
Lys kan opfattes som partikler – fotoner – med forskellige bølgelængder og energier. Disse spænder fra meget lavenergi radiobølger til de meget højenergiske gammastråler, der udsendes af det radioaktive henfald af nukleare materialer. Synligt lys – og ultraviolet lys – er af mellemenergi og passer mellem de to yderpunkter.
MIT-teknikken rapporteret i 2022 fungerede med ultraviolet lys. Ville det fungere med andre bølgelængder af lys, hvilket potentielt åbner op for nye applikationer? Ja, holdet fandt.
I det aktuelle papir viser de, at gammastråler også ændrer korngrænserne, hvilket resulterer i en hurtigere strøm af ioner, som igen let kan detekteres. Og fordi de højenergiske gammastråler trænger meget dybere end ultraviolet lys, "udvider dette arbejdet til billig bulk keramik ud over tynde film," siger Tuller. Det tillader også en ny applikation:en alternativ tilgang til at detektere nukleare materialer.
Dagens avancerede strålingsdetektorer er afhængige af en helt anden mekanisme end den, der er identificeret i MIT-arbejdet. De er afhængige af signaler afledt af elektroner og deres modstykker, huller, snarere end ioner.
Men disse elektroniske ladningsbærere skal bevæge sig forholdsvis store afstande til elektroderne, der "fanger" dem for at skabe et signal. Og undervejs kan de let gå tabt, da de for eksempel rammer ufuldkommenheder i et materiale. Det er derfor, nutidens detektorer er lavet med ekstremt rene enkeltkrystaller af materiale, der tillader en uhindret vej. De kan kun fremstilles med bestemte materialer og er svære at behandle, hvilket gør dem dyre og svære at skalere til store enheder.
Brug af ufuldkommenheder
I modsætning hertil virker den nye teknik på grund af ufuldkommenhederne – korn – i materialet. "Forskellen er, at vi er afhængige af, at ionstrømme bliver moduleret ved korngrænser i forhold til den nyeste teknologi, der er afhængig af at indsamle elektroniske bærere fra lange afstande," siger Defferriere.
Rupp sagde:"Det er bemærkelsesværdigt, at hovedparten af "kornene" af de testede keramiske materialer afslørede høj stabilitet af kemien og strukturen over for gammastråler, og udelukkende korngrænseregionerne reagerede med ansvar for omfordeling af majoritets- og minoritetsbærere og defekter."
Li tilføjede:"Denne stråling-ioniske effekt adskiller sig fra de konventionelle mekanismer til strålingsdetektion, hvor elektroner eller fotoner opsamles. Her bliver den ioniske strøm opsamlet."
Igor Lubomirsky er professor i afdelingen for materialer og grænseflader ved Weizmann Institute of Science, Israel. Lubomirsky, som ikke var involveret i det nuværende arbejde, sagde:"Jeg fandt den tilgang, som MIT-gruppen fulgte med at bruge polykrystallinske oxygenionledere, meget frugtbar givet [materialernes] løfte om at give pålidelig drift under bestråling under de barske forhold, der forventes i atomreaktorer, hvor sådanne detektorer ofte lider af træthed og ældning [de også] nyder godt af meget reducerede fremstillingsomkostninger."
Som et resultat håber MIT-ingeniørerne på, at deres arbejde kan resultere i nye, billigere detektorer. For eksempel forestiller de sig, at lastbiler lastet med last fra containerskibe kører gennem en struktur, der har detektorer på begge sider, når de forlader en havn.
"Ideelt set ville du have enten en række detektorer eller en meget stor detektor, og det er der, hvor [dagens detektorer] virkelig ikke skalerer særlig godt," siger Tuller.
En anden potentiel anvendelse involverer adgang til geotermisk energi eller den ekstreme varme under vores fødder, der bliver udforsket som et kulstoffrit alternativ til fossile brændstoffer. Keramiske sensorer i enderne af borekroner kunne registrere lommer af varme - stråling - at bore mod. Keramik kan nemt modstå ekstreme temperaturer på mere end 800 grader Fahrenheit og de ekstreme tryk, der findes dybt under jordens overflade.
Teamet er begejstret for yderligere ansøgninger til deres arbejde. "Dette var en principdemonstration med kun ét materiale," siger Tuller, "men der er tusindvis af andre materialer, der er gode til at lede ioner."
Defferriere konkluderer:"Det er starten på en rejse om udviklingen af teknologien, så der er meget at gøre og meget at opdage."
Flere oplysninger: Thomas Defferriere et al., ionisk ledningsbaseret polykrystallinsk oxid-gammastråledetektion – strålingsioniske effekter, avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202309253
Journaloplysninger: Naturmaterialer , Avanceret materiale
Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
Varme artikler
-
Algoritmer og lasere tæmmer kemisk reaktivitetKredit:CC0 Public Domain Forskere har udviklet en algoritme til fotokemi, bringer det spirende felt et skridt nærmere målet om at bruge forskellige lysfarver som en kontakt til at aktivere en rækk -
Comb alkometer er nu tusind gange mere følsom over for sygdomsbiomarkørerKandidatstuderende Qizhong Liang justerer JILAs frekvenskam-alkometer, som identificerer molekyler forbundet med sygdom baseret på farver og mængder af lys absorberet inde i røret (til venstre), der i -
Forskere opdager, hvordan kropstemperatur ødelægger potentiel dengue, Zika-vaccineEn dengue-viruspartikel til venstre. Zika til højre. Kredit:UNC School of Medicine En vigtig vej mod at skabe effektive vacciner mod dengue-virus og Zika involverer E-proteinet, der dækker overfla -
Biologisk nedbrydelig plast fra palmeolieaffaldKredit:CC0 Public Domain En bionedbrydelig film lavet af affald fra palmeolieindustrien kunne bruges til fødevareemballage Plastforurening er et presserende miljøproblem i det enogtyvende århundr
- Twisty-fotoner kunne sætte turbo på næste generations kvantekommunikation
- Elon Musk:Teslas næste softwareopdatering med klassiske Atari-spil indbygget
- Katodefremstilling til oxid-solid-state-batterier ved stuetemperatur
- Forbedret katalysator kan oversætte til petrokemiske produktionsgevinster
- Bærbare sensorer registrerer, hvad der er i din sved
- Verdens mindste bladomslag måler 11 x 14 mikrometer (m/ video)