Щодня люди пожинають плоди роботи вчених та інженерів над створенням ефективніших рентгенівських апаратів, комп’ютерів, мобільних телефонів і телевізорів. Дослідники Університету штату Флорида розширюють межі цих технологій і розробляють нові, більш економічні та екологічно чисті матеріали для цих пристроїв.
Професор хімії та біохімії колишнього Радянського Союзу Біву Ма та його лабораторія витратили роки на новаторство у використанні гібридних матеріалів, відомих як гібриди органічних галогенідів металів, або OMHH. Ці матеріали поєднують органічні молекули з елементами галогенідів металів, що призводить до структур із властивостями, які легко маніпулювати, які використовуються в сонячних елементах, світлодіодах (LED) тощо. Цієї осені їх робота, пов’язана з різними аспектами цих матеріалів, була опублікована в трьох різних наукових журналах.
«Наша група широко визнана піонером у розробці цього нового класу гібридних матеріалів, відомих як гібриди органічних галогенідів металів, або OMHH», — сказав Ма. «Що захоплює в цих матеріалах, так це їхня виняткова структура та можливість налаштування властивостей — подібно до збирання деталей Lego, ми можемо поєднувати органічні та металогалогенні будівельні блоки незліченною кількістю способів, щоб виробляти матеріали з усіма видами функціональних можливостей для використання в різних галузях».
У статті, опублікованій в журналі Advanced Materials у листопаді, команда Ма продемонструвала, як нульвимірні, або 0D, OMHH служать світловипромінювальними матеріалами в поєднанні з перовскітами металів, створюючи високоефективні білі світлодіоди. Дослідники склали два емісійних шари матеріалів — один випромінює синє світло, а інший — помаранчевий і червоний, щоб генерувати біле світло.
Окрім перетворення електрики у видиме світло у світлодіодах, 0D OMHH також можуть перетворювати високоенергетичне випромінювання, наприклад рентгенівське випромінювання, у видиме світло. Це робить їх ідеальними для використання в рентгенівських сцинтиляторах, які відіграють вирішальну роль у медичній візуалізації, перевірці безпеки та промисловому хімічному тестуванні. Сцинтилятори, які, серед інших цілей, дозволяють отримувати зображення зубів у стоматолога або багажу в службах безпеки в аеропорту, традиційно виготовляються з неорганічних матеріалів, які вимагають дорогого виробництва при високій температурі та високому тиску.
Будучи першою дослідницькою групою, яка повідомила про використання недорогих, екологічно чистих 0D OMHH для рентгенівських сцинтиляторів у 2020 році, група Ма була в авангарді просування цієї технології. Робота команди зі світлодіодами отримувала постійну підтримку від Національного наукового фонду протягом багатьох років, створивши більше дюжини гучних публікацій і закінчивши кілька докторантів.
«Біву — видатний хімік, і те, чого він досяг у своїй кар’єрі, є вражаючим», — сказав Вей Ян, завідувач кафедри хімії та біохімії. «Він всесвітньо відомий не тільки розробкою матеріалів із властивостями «мрії», але й розробкою нових концепцій і керівництвом у галузі дизайну матеріалів своєю роботою».
В іншому дослідженні, опублікованому в журналі Advanced Functional Materials у вересні, Ма та його команда описали, як нову форму 0D OMHHs, оброблені розчином аморфних плівок, можна використовувати для виробництва рентгенівських сцинтиляторів великої площі. До цієї роботи майже всі рентгенівські сцинтилятори на основі 0D OMHH покладалися на монокристали, вирощені в розчині, які вимагають тривалого синтезу та обмежені розмірами. Команда Ма використовувала аморфну природу OMHH, сприяючи створенню високопродуктивних сцинтиляторів, які можна обробляти розчином.
Команда співпрацює з кількома дослідницькими установами, щоб дослідити застосування в променевій терапії та комп’ютерній томографії з підрахунком фотонів, радіологічній техніці. Вони також співпрацюють із промисловими партнерами для комерціалізації сцинтиляторів на основі 0D OMHH, які можна економічно виробляти, використовуючи багату на Землі нетоксичну сировину.
«Біву надзвичайно креативний — у його ідеї вкладено виняткове розуміння», — сказав Ян. «Його студенти кажуть, що хоча спочатку ідеї Біву здаються неймовірними, вони завжди працюють так добре. Кафедра доклала величезних зусиль для розвитку викладачів і спостерігала за зростанням неймовірних вчених, які стали передовими вченими у відповідних галузях досліджень, і Біву є блискучим приклад».
У статті ACS Energy Letters, опублікованій у листопаді, команда Ма співпрацювала з дослідниками з Національної лабораторії Лос-Аламоса та Університету Буффало, щоб вивчити застосування 0D OMHH в детекторах прямого рентгенівського випромінювання, які перетворюють рентгенівські промені в електричні сигнали.
У детекторах прямого рентгенівського випромінювання, які широко використовуються в медичній візуалізації та скринінгу безпеки, традиційно використовуються такі матеріали, як кремній і селен, які мають обмеження в продуктивності, адаптивності та вартості. У той час як такі матеріали, як галогеніди металів перовскіти, привернули увагу своїм потенціалом для покращення виявлення рентгенівських променів, нестабільність і токсичність залишаються серйозними перешкодами для широкого впровадження.
Команда продемонструвала, що 0D OMHH є екологічно чистою, недорогою альтернативою з такими перевагами, як висока чутливість, низькі межі виявлення та тверда стабільність, що робить матеріали перспективним варіантом для цілого ряду застосувань від медичної діагностики та візуалізації до безпеки та науки. дослідження. Ма подав заявку на патент США для цих прямих рентгенівських детекторів на основі OMHH, і команда шукає грантової підтримки разом зі своїми співробітниками для подальшого розвитку цієї технології.
«З моменту нашої першої статті про ці матеріали в 2017 році ми постійно досліджували нові композиції, структури, властивості, функції та застосування, і наша робота охоплює широкий спектр», — сказав Ма. «Ми розглядаємо 0D OMHH як неймовірно універсальну матеріальну платформу з величезним потенціалом перевершити існуючі матеріали в багатьох сферах застосування».