Una nueva forma de detectar radiación con cerámica barata | Noticias del MIT

Los detectores de radiación que se utilizan hoy en día para aplicaciones como la inspección de buques de carga en busca de materiales nucleares de contrabando son caros y no pueden funcionar en entornos hostiles, entre otras desventajas. Ahora, en un trabajo financiado en gran parte por el Departamento de Seguridad Nacional de EE.UU. con el apoyo inicial del Departamento de Energía de EE.UU., los ingenieros del MIT han demostrado una forma fundamentalmente nueva de detectar radiación que podría permitir detectores mucho más baratos y una gran cantidad de nuevas aplicaciones.

ellos estan trabajando con Dispositivos de monitoreo de radiaciónuna empresa de Watertown, Massachusetts, para transferir la investigación lo más rápido posible a productos detectores.

En un artículo de 2022 en Materiales de la naturalezamuchos de los mismos ingenieros reportado por primera vez cómo la luz ultravioleta puede mejorar significativamente el rendimiento de las pilas de combustible y otros dispositivos basados ​​en el movimiento de átomos cargados, en lugar de los electrones que los constituyen.

En el trabajo actual, publicado recientemente en Materiales avanzadosel equipo demuestra que el mismo concepto se puede ampliar a una nueva aplicación: la detección de rayos gamma emitidos por la desintegración radiactiva de materiales nucleares.

"Nuestro enfoque implica materiales y mecanismos muy diferentes a los de los detectores utilizados actualmente, con beneficios potencialmente enormes en términos de costo reducido, capacidad de operar en condiciones difíciles y procesamiento simplificado", dice Harry L. Tuller, profesor de Cerámica de RP Simmons. y Materiales Electrónicos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

Tuller lidera el trabajo con colaboradores clave Jennifer LM Rupp, ex profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT que ahora es profesora de materiales electroquímicos en la Universidad Técnica de Munich en Alemania, y Ju Li, profesora de Ingeniería Nuclear e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance. Profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Todos también están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

“Después de aprender el Materiales de la naturaleza trabajo, me di cuenta de que el mismo principio subyacente debería funcionar para la detección de rayos gamma; de hecho, puede funcionar incluso mejor que la luz (UV) porque los rayos gamma son más penetrantes, y propuse algunos experimentos a Harry y Jennifer”, dice Li.

Dice Rupp: "El empleo de rayos gamma de menor alcance nos permite extender el efecto optoiónico a radioiónico modulando los portadores iónicos y los defectos en las interfaces de los materiales mediante los electrónicos fotogenerados".

Otros autores del Materiales avanzados El artículo es el primer autor Thomas Defferriere, postdoctorado en DMSE, y Ahmed Sami Helal, postdoctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT.

Modificando barreras

La carga se puede transportar a través de un material de diferentes maneras. Estamos más familiarizados con la carga que transportan los electrones que ayudan a formar un átomo. Las aplicaciones comunes incluyen células solares. Pero hay muchos dispositivos, como las pilas de combustible y las baterías de litio, que dependen del movimiento de los átomos cargados, o iones, en lugar de sólo de sus electrones.

Los materiales detrás de las aplicaciones basadas en el movimiento de iones, conocidos como electrolitos sólidos, son las cerámicas. La cerámica, a su vez, está compuesta de pequeños granos cristalitos que se compactan y se cuecen a altas temperaturas para formar una estructura densa. El problema es que los iones que viajan a través del material a menudo se encuentran bloqueados en los límites entre los granos.

En su artículo de 2022, el equipo del MIT demostró que la luz ultravioleta (UV) que incide sobre un electrolito sólido provoca esencialmente perturbaciones electrónicas en los límites de los granos que, en última instancia, reducen la barrera que encuentran los iones en esos límites. El resultado: "Pudimos mejorar el flujo de iones en un factor de tres", dice Tuller, lo que resultó en un sistema mucho más eficiente.

Gran potencial

En ese momento, el equipo estaba entusiasmado con el potencial de aplicar lo que habían descubierto a diferentes sistemas. En el trabajo de 2022, el equipo utilizó luz ultravioleta, que se absorbe rápidamente muy cerca de la superficie de un material. Como resultado, esa técnica específica sólo es efectiva en películas delgadas de materiales. (Afortunadamente, muchas aplicaciones de electrolitos sólidos implican películas delgadas).

Se puede pensar en la luz como partículas (fotones) con diferentes longitudes de onda y energías. Estos van desde ondas de radio de muy baja energía hasta rayos gamma de muy alta energía emitidos por la desintegración radiactiva de los materiales nucleares. La luz visible (y la luz ultravioleta) son de energías intermedias y se sitúan entre los dos extremos.

La técnica del MIT informada en 2022 funcionaba con luz ultravioleta. ¿Funcionaría con otras longitudes de onda de luz, abriendo potencialmente nuevas aplicaciones? Sí, el equipo lo encontró. En el artículo actual muestran que los rayos gamma también modifican los límites de los granos, lo que da como resultado un flujo de iones más rápido que, a su vez, puede detectarse fácilmente. Y como los rayos gamma de alta energía penetran mucho más profundamente que la luz ultravioleta, "esto amplía el trabajo, además de las películas delgadas, a cerámicas a granel económicas", afirma Tuller. También permite una nueva aplicación: un enfoque alternativo para detectar materiales nucleares.

Los detectores de radiación de última generación actuales dependen de un mecanismo completamente diferente al identificado en el trabajo del MIT. Se basan en señales derivadas de electrones y sus contrapartes, los huecos, en lugar de iones. Pero estos portadores de carga electrónica deben moverse distancias comparativamente grandes hasta los electrodos que los "capturan" para crear una señal. Y en el camino, pueden perderse fácilmente al chocar, por ejemplo, con imperfecciones en un material. Es por eso que los detectores actuales están fabricados con monocristales de material extremadamente puro que permiten un camino sin obstáculos. Pueden fabricarse únicamente con ciertos materiales y son difíciles de procesar, lo que los hace costosos y difíciles de escalar para convertirlos en dispositivos grandes.

Usando imperfecciones

Por el contrario, la nueva técnica funciona debido a las imperfecciones (granos) del material. "La diferencia es que dependemos de que las corrientes iónicas se modulen en los límites de los granos, frente a la tecnología más avanzada que se basa en recolectar portadores electrónicos desde largas distancias", dice Defferriere.

Dice Rupp: "Es notable que los 'granos' a granel de los materiales cerámicos probados revelaran altas estabilidades de la química y la estructura frente a los rayos gamma, y ​​únicamente las regiones límite de los granos reaccionaron en la redistribución de carga de los portadores y defectos mayoritarios y minoritarios".

Comenta Li: “Este efecto de radiación iónica es distinto de los mecanismos convencionales para la detección de radiación donde se recolectan electrones o fotones. Aquí se recoge la corriente iónica”.

Igor Lubomirsky, profesor del Departamento de Materiales e Interfaces del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, que no participó en el trabajo actual, dice: "El enfoque seguido por el grupo del MIT al utilizar conductores de iones de oxígeno policristalinos me pareció muy fructífero". dada la promesa (de los materiales) de proporcionar un funcionamiento fiable bajo irradiación en las duras condiciones que se esperan en los reactores nucleares, donde dichos detectores a menudo sufren fatiga y envejecimiento. (Ellos también) se benefician de costos de fabricación muy reducidos”.

Como resultado, los ingenieros del MIT tienen la esperanza de que su trabajo pueda dar como resultado detectores nuevos y menos costosos. Por ejemplo, imaginan camiones cargados con carga de buques portacontenedores atravesando una estructura que tiene detectores en ambos lados cuando salen de un puerto. "Lo ideal sería tener una serie de detectores o un detector muy grande, y ahí es donde (los detectores actuales) realmente no escalan muy bien", dice Tuller.

Otra posible aplicación implica el acceso a la energía geotérmica, o el calor extremo bajo nuestros pies, que se está explorando como una alternativa libre de carbono a los combustibles fósiles. Los sensores cerámicos en los extremos de las brocas podrían detectar bolsas de calor (radiación) hacia las cuales perforar. La cerámica puede soportar fácilmente temperaturas extremas de más de 800 grados Fahrenheit y las presiones extremas que se encuentran en las profundidades de la superficie de la Tierra.

El equipo está entusiasmado con aplicaciones adicionales para su trabajo. "Esta fue una demostración de principios con un solo material", dice Tuller, "pero hay miles de otros materiales buenos para conducir iones".

Concluye Defferriere: "Es el comienzo de un viaje hacia el desarrollo de la tecnología, por lo que hay mucho por hacer y mucho por descubrir".

Este trabajo cuenta actualmente con el apoyo de la Oficina de Lucha contra las Armas de Destrucción Masiva del Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. Este apoyo no constituye un respaldo expreso o implícito por parte del gobierno. También fue financiado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de Estados Unidos.