Des chercheurs du MIT ont montré qu’il était possible de décupler l’efficacité des scintillateurs en modifiant la surface du matériau. Cette image montre une grille TEM sur du scotch, la partie droite montrant la scène après correction. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Charles Roques-Carmes, Nicholas Rivera, Marin Soljacic, Steven Johnson et John Joannopoulos, et al.
L’amélioration du matériau qui convertit les rayons X en lumière, pour les images médicales ou industrielles, pourrait permettre de décupler le signal.
Les scintillateurs sont des matériaux qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont bombardés par des particules à haute énergie ou des rayons X. Dans les systèmes de radiologie médicale ou dentaire, les scintillateurs sont des matériaux qui émettent de la lumière. Dans les systèmes de radiologie médicale ou dentaire, ils convertissent les rayons X entrants en lumière visible qui peut ensuite être captée à l’aide d’un film ou de photocapteurs. Ils sont également utilisés pour les systèmes de vision nocturne et pour la recherche, par exemple dans les détecteurs de particules ou les microscopes électroniques.
Les chercheurs de MIT have now shown how one could improve the efficiency of scintillators by at least tenfold, and perhaps even a hundredfold, by changing the material’s surface to create certain nanoscale configurations, such as arrays of wave-like ridges. While past attempts to develop more efficient scintillators have focused on finding new materials, the new approach could in principle work with any of the existing materials.
Though it will require more time and effort to integrate their scintillators into existing X-ray machines, the team believes that this method might lead to improvements in medical diagnostic X-rays or CT scans, to reduce dose exposure and improve image quality. In other applications, such as X-ray inspection of manufactured parts for quality control, the new scintillators could enable inspections with higher accuracy or at faster speeds.
The findings are described in the journal Science, in a paper by MIT doctoral students Charles Roques-Carmes and Nicholas Rivera; MIT professors Marin Soljacic, Steven Johnson, and John Joannopoulos; and 10 others.
While scintillators have been in use for some 70 years, much of the research in the field has focused on developing new materials that produce brighter or faster light emissions. The new approach instead applies advances in nanotechnology to existing materials. By creating patterns in scintillator materials at a length scale comparable to the wavelengths of the light being emitted, the team found that it was possible to dramatically change the material’s optical properties.
To make what they coined “nanophotonic scintillators,” Roques-Carmes says, “you can directly make patterns inside the scintillators, or you can glue on another material that would have holes on the nanoscale. The specifics depend on the exact structure and material.” For this research, the team took a scintillator and made holes spaced apart by roughly one optical wavelength, or about 500 nanometers (billionths of a meter).
“The key to what we’re doing is a general theory and framework we have developed,” Rivera says. This allows the researchers to calculate the scintillation levels that would be produced by any arbitrary configuration of nanophotonic structures. The scintillation process itself involves a series of steps, making it complicated to unravel. The framework the team developed involves integrating three different types of physics, Roques-Carmes says. Using this system they have found a good match between their predictions and the results of their subsequent experiments.
The experiments showed a tenfold improvement in emission from the treated scintillator. “So, this is something that might translate into applications for medical imaging, which are optical photon-starved, meaning the conversion of X-rays to optical light limits the image quality. [In medical imaging,] vous ne voulez pas irradier vos patients avec une trop grande quantité de rayons X, surtout pour le dépistage de routine, et surtout pour les jeunes patients aussi”, dit Roques-Carmes.
“Nous pensons que cela va ouvrir un nouveau champ de recherche en nanophotonique”, ajoute-t-il. “Vous pouvez utiliser une grande partie du travail et de la recherche existants dans le domaine de la nanophotonique pour améliorer considérablement les matériaux existants qui scintillent.”
Soljacic affirme que si leurs expériences ont prouvé qu’il était possible de décupler l’émission, en affinant la conception du motif à l’échelle nanométrique, “nous montrons également qu’il est possible d’obtenir jusqu’à 100 fois plus d’émission. [improvement]Nous montrons également qu’il est possible de multiplier l’émission par 100[improvement]et nous pensons avoir la possibilité de l’améliorer encore”, ajoute-t-il.
M. Soljacic souligne que dans d’autres domaines de la nanophotonique, qui traite de la manière dont la lumière interagit avec des matériaux structurés à l’échelle nanométrique, le développement de simulations informatiques a permis des améliorations rapides et substantielles, par exemple dans le développement de cellules solaires et de LED. Les nouveaux modèles que cette équipe a mis au point pour les matériaux scintillants pourraient faciliter des bonds similaires dans cette technologie, dit-il.
Les techniques de nanophotonique “vous donnent le pouvoir ultime de personnaliser et d’améliorer le comportement de la lumière”, déclare M. Soljacic. “Mais jusqu’à présent, cette promesse, cette capacité à le faire avec la scintillation était inaccessible car la modélisation de la scintillation était très difficile. Maintenant, ce travail ouvre pour la première fois ce domaine de la scintillation, l’ouvre complètement, pour l’application des techniques de la nanophotonique.” Plus généralement, l’équipe pense que la combinaison de la nanophotonique et des scintillateurs pourrait à terme permettre une résolution plus élevée, une réduction de la dose de rayons X et une imagerie radiologique à résolution énergétique.
Yablonovitch ajoute que, même si le concept doit encore être prouvé dans un dispositif pratique, il affirme que, “après des années de recherche sur les cristaux photoniques dans la communication optique et d’autres domaines, il est grand temps que les cristaux photoniques soient appliqués aux scintillateurs, qui sont d’une grande importance pratique et ont été négligés” jusqu’à ce travail.
Référence : 24 février 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm9293
L’équipe de recherche comprenait Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan et Nicolas Romeo au MIT, Yang Yu chez Raith America, Inc. et Ido Kaminer au Technion en Israël. Ces travaux ont été soutenus, en partie, par le Bureau de recherche de l’armée américaine et le Laboratoire de recherche de l’armée américaine par le biais de l’Institut des nanotechnologies du soldat, par le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air et par une bourse d’ingénierie Mathworks.
