MADRID, 25 Feb. (EUROPA PRESS) -
La creación de patrones a nanoescala en materiales 'centelladores' que convierten los rayos X en luz podría permitir multiplicar por diez la señal en la obtención de imágenes médicas o industriales, informan investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos. Este método podría dar lugar a mejoras en las radiografías médicas o las tomografías computarizadas, para reducir la exposición a la dosis y mejorar la calidad de la imagen.
Los centelleadores son materiales que emiten luz cuando son bombardeados con partículas de alta energía o rayos X. En los sistemas de rayos X médicos u odontológicos, convierten la radiación de rayos X entrante en luz visible que puede captarse con una película o con fotosensores. También se utilizan en sistemas de visión nocturna y en investigación, como en detectores de partículas o microscopios electrónicos.
Los investigadores del MIT han demostrado ahora que se puede mejorar la eficacia de los centelleadores al menos diez veces, e incluso cien veces, cambiando la superficie del material para crear determinadas configuraciones a nanoescala, como conjuntos de crestas onduladas. Aunque los intentos anteriores de desarrollar centelleadores más eficaces se han centrado en la búsqueda de nuevos materiales, el nuevo enfoque podría funcionar en principio con cualquiera de los materiales existentes.
Si bien la integración de sus centelleadores en las máquinas de rayos X existentes requerirá más tiempo y esfuerzo, el equipo cree que este método podría dar lugar a mejoras en las radiografías de diagnóstico médico o las tomografías computarizadas, para reducir la exposición a la dosis y mejorar la calidad de la imagen. En otras aplicaciones, como la inspección por rayos X de piezas fabricadas para el control de calidad, los nuevos centelleadores podrían permitir inspecciones con mayor precisión o a mayor velocidad.
Aunque los centelleadores se utilizan desde hace unos 70 años, gran parte de la investigación en este campo se ha centrado en el desarrollo de nuevos materiales que produzcan emisiones de luz más brillantes o rápidas. En cambio, el nuevo enfoque aplica los avances de la nanotecnología a los materiales existentes.
Al crear patrones en los materiales de centelleo a una escala de longitud comparable a las longitudes de onda de la luz emitida, el equipo descubrió que era posible cambiar drásticamente las propiedades ópticas del material.
Para fabricar lo que denominaron "centelleadores nanofotónicos --dice el estudiante de doctorado del MIT Charles Roques-Carmes-- se pueden hacer directamente patrones dentro de los centelleadores, o se puede pegar otro material que tenga agujeros a escala nanométrica". Los detalles dependen de la estructura y el material exactos".
Para esta investigación, el equipo tomó un centelleador e hizo agujeros separados por aproximadamente una longitud de onda óptica, o unos 500 nanómetros (milmillonésima parte de un metro).
"La clave de lo que estamos haciendo es una teoría general y un marco que hemos desarrollado", añade el también estudiante de postdoctorado Nicholas Rivera. Esto permite a los investigadores calcular los niveles de centelleo que produciría cualquier configuración arbitraria de estructuras nanofotónicas.
El proceso de centelleo en sí implica una serie de pasos, lo que hace que sea complicado de desentrañar. El marco que ha desarrollado el equipo implica la integración de tres tipos diferentes de física, afirma Roques-Carmes. Utilizando este sistema han encontrado una buena correspondencia entre sus predicciones y los resultados de sus experimentos posteriores.
Los experimentos mostraron una mejora de diez veces en la emisión del centelleador tratado. "Por lo tanto, esto es algo que podría traducirse en aplicaciones para las imágenes médicas, que son ópticas con escasez de fotones, lo que significa que la conversión de los rayos X en luz óptica limita la calidad de la imagen. En las imágenes médicas, no se quiere irradiar a los pacientes con demasiados rayos X, sobre todo en las revisiones rutinarias y también en los pacientes jóvenes", afirma Roques-Carmes.
"Creemos que esto abrirá un nuevo campo de investigación en nanofotónica --añade-. Se pueden utilizar muchos de los trabajos e investigaciones que se han realizado en el campo de la nanofotónica para mejorar significativamente los materiales existentes que centellean".
El profesor del MIT Marin Soljacic afirma que, si bien sus experimentos demostraron que se podía conseguir una mejora de diez veces en la emisión, afinando aún más el diseño del patrón a nanoescala. "También demostramos que se puede conseguir hasta 100 veces de mejora, y creemos que también tenemos un camino para hacerlo aún mejor", destaca.
Soljacic señala que en otras áreas de la nanofotónica, un campo que se ocupa de cómo la luz interactúa con materiales estructurados a escala nanométrica, el desarrollo de simulaciones computacionales ha permitido mejoras rápidas y sustanciales, por ejemplo en el desarrollo de células solares y LED. Los nuevos modelos que este equipo ha desarrollado para los materiales centelleantes podrían facilitar saltos similares en esta tecnología, afirma.
Las técnicas de nanofotónica "ofrecen el poder definitivo de adaptar y mejorar el comportamiento de la luz --explica Soljacic--. Pero hasta ahora, esta promesa, esta capacidad de hacer esto con el centelleo era inalcanzable porque modelar el centelleo era muy difícil. Ahora, este trabajo abre por primera vez este campo del centelleo, lo abre por completo, para la aplicación de técnicas de nanofotónica".
En términos más generales, el equipo cree que la combinación de nanofotónica y centelleadores podría permitir, en última instancia, una mayor resolución, una dosis reducida de rayos X y la obtención de imágenes de rayos X con resolución de energía.
Concluyen que, aunque el concepto aún debe probarse en un dispositivo práctico, "después de años de investigación sobre cristales fotónicos en la comunicación óptica y otros campos, hace tiempo que se debería haber aplicado los cristales fotónicos a los centelleadores, que son de gran importancia práctica y sin embargo se han pasado por alto" hasta este trabajo.
