量子材料可能是高能X射线成像和粒子探测的未来

闪烁体是一种探测器，通过闪光使高能X射线或粒子可见，从而形成图像。它们的许多应用包括粒子物理学、医学成像、X射线安全等

然而，尽管闪烁体很有用，但它给研究人员带来了一个难题。直到最近，科学家们在为特定实验选择合适的闪烁体技术时，不得不决定是快速成像还是最佳性能更重要

美国能源部阿贡国家实验室的科学家可能已经找到了解决这一困境的方法。它涉及一种闪烁体材料，由大小为200亿分之一米的球形粒子组成。这项研究发表在《自然通讯》上

尽管它们非常小，但这些纳米粒子具有复杂的结构，由硫化镉的球状核心、硒化镉的薄壳和硫化镉的厚壳组成。来自美国能源部橡树岭国家实验室、鲍灵格林州立大学（BGSU）和西北大学的科学家参与了这个项目

由于量子力学效应，这些纳米粒子具有较大粒子所不具备的宝贵光学和电子性能。BGSU的科学家合成了这些被称为量子壳的纳米粒子，形成了一个紧密结合的晶格，构成了闪烁体材料

它适用于超快辐射检测以及使用X射线光源进行的高分辨率成像，例如美国能源部科学办公室用户设施阿贡国家实验室的先进光子源（APS）

闪烁体技术的日常应用可以在牙医办公室找到，在那里，X射线束通过患者的口腔照射到反应性材料的薄膜上，该薄膜会打印出牙齿的图像，供牙医检查潜在的缺陷

尽管这种成像对牙医或医生进行胸部X光检查很有用，但它与APS等纳米级成像所需的功率和精度相去甚远。这需要高效、快速响应、具有高空间分辨率、耐用且可扩展到大尺寸的闪烁体材料

研究小组最近开发的量子壳符合这些标准。阿贡国家实验室X射线科学部的物理学家Burak Guzelturk说：“量子壳可能适合在牙医诊所成像，但它们更适合在APS等光源下的闪烁体，或者在发动机内部有液体运行时对发动机进行X射线成像。”

“当传统的闪烁体被X射线束激发时，它们会发光，并且会有一些特征寿命，”Benjamin Diroll说，他是阿贡国家实验室美国能源部科学办公室用户设施纳米材料中心的科学家

“在其中一些中，它可能是数百纳秒，也可能是微秒。量子壳闪烁体实现了个位数的纳秒寿命，同时保持了与传统闪烁体相同的效率水平。”

Guzelturk将量子壳与另一种类似的发光材料量子点进行了比较。“在量子点中，发光通常来自纳米物体的中心部分，发光的颜色取决于其大小。另一方面，在量子壳中，发光不是来自核心，而是纳米颗粒中的相邻壳。”

该壳的厚度决定了光的发射方式。由量子壳制成的闪烁体材料可以提供快速、清晰的成像和长期的耐用性

经典闪烁体往往相当厚。因此，它们可以在前面、后面或中间发光，这往往会模糊所需的图像。量子壳闪烁体避免了这个问题，因为它们可以在基底材料上制成薄膜

Guzelturk解释说：“由较轻元素制成的商业闪烁体需要达到毫米厚。在我们的案例中，我们意识到我们可以使量子壳闪烁体更薄，只有几微米，同时实现强X射线吸收和高空间分辨率成像。”。这项开创性的工作展示了这些纳米级量子材料的巨大潜力。通过利用其独特的光学和电子特性，研究人员可以在从粒子物理学到医学诊断等领域开辟新的前沿 More information: Burak Guzelturk et al, Bright and durable scintillation from colloidal quantum shells, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48351-9

Journal information: Nature Communications