“Các nhà khoa học tìm ra vật liệu tấm pin mặt trời có thể cách mạng hóa hình ảnh y học”

Hình ảnh y tế đã mang lại những cải tiến đáng kể cho việc chẩn đoán và điều trị các tình trạng bệnh lý khác nhau ở trẻ em và người lớn. Tuy nhiên, liều lượng tia X cao cần thiết để chụp ảnh gây ra rủi ro sức khỏe đáng kể cho bệnh nhân do những hạn chế của vật liệu đánh dấu hiện có.

Đây là nơi nghiên cứu mới xuất hiện. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một loại vật liệu pin mặt trời có khả năng phát hiện suất liều tia X thấp hơn 250 lần so với các máy dò hoạt động tốt nhất hiện nay đang được sử dụng. Điều này có thể làm cho hình ảnh y tế an toàn hơn và mở ra những cơ hội mới trong chẩn đoán không xâm lấn.

Vật liệu bismuth oxyiodide (BiOI) là một chất bán dẫn không độc hại, có thể hấp thụ ánh sáng khả kiến ​​và ổn định trong không khí. Do chất lượng của nó, ngày càng có nhiều người quan tâm đến việc sử dụng nó cho pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, tế bào quang điện hóa chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu và thu hoạch năng lượng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị thông minh.

Robert Hoye, trưởng nhóm nghiên cứu từ Đại học Oxford, cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một tinh thể đơn BiOI thành một máy dò tia X hoạt động tốt hơn 100 lần so với loại hiện tại để chụp ảnh y tế. “BiOI không độc hại, ổn định trong không khí và có thể được phát triển ở quy mô và hiệu quả về chi phí. Chúng tôi rất vui mừng về tiềm năng mà BiOI có được.”

Chuyển đổi BiOI thành tia X

BiOI có hai nguyên tố nặng là bismuth và iốt. Điều này mang lại cho vật liệu khả năng hấp thụ tia X hiệu quả. Tuy nhiên, những nỗ lực trước đây để phát triển BiOI dưới dạng máy dò tia X phần lớn không thành công. Điều này là do tổn thất năng lượng lớn gây ra bởi các khiếm khuyết từ cấu trúc tinh thể nano của máy dò được chế tạo.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một kỹ thuật để phát triển các tinh thể BiOI đơn chất lượng cao bằng cách sử dụng các phương pháp dựa trên hơi có thể mở rộng. Tinh thể có mật độ khuyết tật rất thấp, đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được dòng điện ổn định. Điều này rất quan trọng trong việc tăng độ nhạy và giới hạn phát hiện của BiOI đối với tia X.

Judith Driscoll, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Việc chứng minh rằng những tinh thể ổn định, nhiệt độ thấp, dễ xử lý này có thể mang lại độ nhạy cao cho việc phát hiện tia X là rất đáng chú ý”. “Chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu vật liệu này vài năm trước và chúng tôi nhận thấy nó vượt trội so với các vật liệu cạnh tranh khác trong nhiều ứng dụng quang điện tử và cảm biến.”

Các nhà nghiên cứu đã thành lập một nhóm liên ngành để hiểu những lý do cơ bản đằng sau hiệu suất của BiOI như một máy dò tia X. Họ sử dụng các kỹ thuật quang học tiên tiến để làm sáng tỏ các quá trình phức tạp xảy ra trong một phần nghìn tỷ giây và chạy các mô phỏng để thiết lập mối quan hệ giữa các quá trình này và những gì xảy ra ở cấp độ nguyên tử.

Trong nghiên cứu của mình, nhóm đã tiết lộ cơ chế mà các electron tương tác với các dao động mạng tinh thể trong BiOI. Trái ngược với các hợp chất khác có bismuth và halogenua, các electron vẫn được định vị, cho phép chuyển động nhanh trong mạng BiOI. Đồng thời, sự kết hợp bất thường của các electron với các dao động mạng tinh thể dẫn đến sự mất mát năng lượng không thể đảo ngược.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng có thể giảm bớt sự thất thoát năng lượng này thông qua hai phương pháp. Đầu tiên, bằng cách giảm năng lượng nhiệt thông qua việc làm mát mẫu và thứ hai, bằng cách sử dụng điện trường để loại bỏ các electron khỏi mạng tinh thể. Cách tiếp cận thứ hai hoàn toàn phù hợp với nguyên tắc hoạt động của máy dò tia X.

Bartomeu Monserrat, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã xây dựng một mô hình cơ học lượng tử cực nhỏ của các electron và ion có thể giải thích đầy đủ các đặc tính quang điện tử đáng chú ý của BiOI khiến nó trở thành vật liệu tốt để phát hiện tia X”. “Điều này cho chúng tôi một lộ trình để thiết kế nhiều vật liệu hơn với các đặc tính có lợi tương tự.

Tiếp theo, nhóm đang làm việc để sử dụng những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu này để tạo ra các vật liệu có các đặc tính có lợi tương tự như BiOI. Họ cũng đang làm việc để mở rộng những lợi ích độc đáo của BiOI cho xã hội bằng cách phát triển các phương pháp để tăng kích thước của máy dò BiOI, đồng thời duy trì các đặc tính đặc biệt được quan sát thấy trong các tinh thể đơn lẻ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.