Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un diseño molecular altamente efectivo que permite mejorar la radioluminescencia en escintiladores organometálicos en más de tres órdenes de magnitud. Este avance aprovecha el reciclaje de excitones tripletes inducidos por rayos X dentro de complejos metálicos de lantano.
La detección de radiación ionizante es crucial en campos diversos, como la radiografía médica, el monitoreo ambiental y la astronomía. Por ello, se han realizado importantes esfuerzos para desarrollar materiales luminiscentes que respondan a los rayos X. Sin embargo, los escintiladores de alto rendimiento actuales están casi exclusivamente limitados a materiales cerámicos y perovskitas, que enfrentan problemas como procesos de fabricación complejos, toxicidad ambiental, autoabsorción y problemas de estabilidad.
Los fosforos orgánicos presentan una alternativa prometedora gracias a su flexibilidad y rentabilidad. Sin embargo, su eficiencia en la detección de rayos X es inferior debido a una débil absorción de los rayos X y un uso limitado de excitones tripletes moleculares. Si bien los fosforos orgánicos dopados con halógenos y las moléculas de fluorescencia retardada activadas térmicamente muestran potencial, requieren una ingeniería estructural precisa y enfrentan desafíos de absorción y reabsorción que limitan su eficiencia.
Mejoras en la eficiencia de escintiladores moleculares
El equipo de investigación, liderado por el profesor Liu Xiaogang del Departamento de Química de NUS, ha aprovechado la absorción de rayos X de tierras raras y la captura de excitones tripletes mediada por ligandos para superar estos desafíos, logrando así mejorar significativamente el rendimiento de los escintiladores moleculares. La captura efectiva de la energía disipada durante la relajación secundaria de rayos X a través de ligandos orgánicos condujo a un aumento notable de 1,300 veces en la radioluminescencia en comparación con las sales de lantano.
El estudio reveló el papel del reciclaje de excitones tripletes en la determinación de la eficiencia de la escintilación, demostrando que un alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia no necesariamente se traduce en una alta eficiencia de escintilación. La investigación se llevó a cabo en colaboración con el profesor Yiming Wu de la Universidad de Xiamen y el profesor Xian Qin de la Universidad Normal de Fujian, ambos en China.
Estos compuestos organolanthanidos exhiben una notable resistencia a la radiación de alta energía y muestran eficiencias de escintilación que superan a las de escintiladores orgánicos bien conocidos y a cristales inorgánicos de LYSO:Ce. Su rendimiento también es comparable al de los cristales de CsI:Tl.
Mediante la adaptación de los centros metálicos y sus ligandos de coordinación, los investigadores han demostrado la capacidad de lograr escintilación de rayos X de espectro completo desde el ultravioleta hasta el rango del infrarrojo cercano. Además, su metodología permite la sintonización precisa de los tiempos de emisión, que varían desde 50 nanosegundos hasta 900 microsegundos.
Los escintiladores organolanthanidos presentan cambios de Stokes sustanciales y ofrecen la ventaja de síntesis y procesamiento a temperatura ambiente en forma de solución. También demuestran una excelente solubilidad, estabilidad y flexibilidad, lo que permite la mezcla a nivel molecular para una imagen radiográfica de alta resolución y aplicaciones potenciales en radioterapia de tejidos profundos mediada por rayos X.
El profesor Liu comentó: «La eficiencia del reciclaje de excitones tripletes es la clave para un mejor rendimiento de escintilación. Estos descubrimientos ofrecen profundas ideas sobre la dinámica de migración de excitones inducidos por rayos X y el comportamiento de radioluminescencia, moldeando el futuro de los escintiladores orgánicos y su aprovechamiento de los cuanta de rayos X de alta energía».
La combinación de una radioluminescencia estable, un gran desplazamiento de Stokes y una sintonización espectral completa convierte a las moléculas organolanthanidas en una plataforma prometedora para aplicaciones de escintilación.
Más información:
Jiahui Xu et al, Ultrabright molecular scintillators enabled by lanthanide-assisted near-unity triplet exciton recycling, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01586-w
