Os detectores de radiação usados hoje para aplicações como a inspeção de navios de carga em busca de materiais nucleares contrabandeados são caros e não podem operar em ambientes agressivos, entre outras desvantagens. Agora, num trabalho financiado em grande parte pelo Departamento de Segurança Interna dos EUA, com o apoio inicial do Departamento de Energia dos EUA, os engenheiros do MIT demonstraram uma forma fundamentalmente nova de detectar radiação que poderia permitir detectores muito mais baratos e uma infinidade de novas aplicações.

Eles estão trabalhando com a Radiation Monitoring Devices , uma empresa de Watertown, Massachusetts, para transferir a pesquisa o mais rápido possível para produtos detectores.

Num artigo de 2022 na Nature Materials, muitos dos mesmos engenheiros relataram pela primeira vez como a luz ultravioleta pode melhorar significativamente o desempenho das células de combustível e outros dispositivos baseados no movimento de átomos carregados, em vez dos elétrons constituintes desses átomos.

No trabalho atual, publicado recentemente na Advanced Materials, a equipe mostra que o mesmo conceito pode ser estendido para uma nova aplicação: a detecção de raios gama emitidos pelo decaimento radioativo de materiais nucleares.

“Nossa abordagem envolve materiais e mecanismos muito diferentes daqueles dos detectores usados atualmente, com benefícios potencialmente enormes em termos de custo reduzido, capacidade de operar sob condições adversas e processamento simplificado”, diz Harry L. Tuller, professor de cerâmica da RP Simmons. e Materiais Eletrônicos no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT.

Tuller lidera o trabalho com colaboradores importantes Jennifer LM Rupp, ex-professora associada de ciência e engenharia de materiais no MIT que agora é professora de materiais eletroquímicos na Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, e Ju Li, professora da Battelle Energy Alliance em Engenharia Nuclear e professor de ciência e engenharia de materiais. Todos também são afiliados ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT

“Depois de aprender o trabalho dos Materiais da Natureza, percebi que o mesmo princípio subjacente deveria funcionar para a detecção de raios gama - na verdade, pode funcionar ainda melhor do que a luz [UV] porque os raios gama são mais penetrantes - e propus alguns experimentos a Harry e Jennifer, “, diz Li.

Diz Rupp: “O emprego de raios gama de curto alcance permite [nos] estender o efeito opto-iônico para um efeito radioiônico, modulando portadores iônicos e defeitos nas interfaces dos materiais por meio de efeitos eletrônicos fotogerados”.

Outros autores do artigo sobre Materiais Avançados são o primeiro autor Thomas Defferriere, pós-doutorado em DMSE, e Ahmed Sami Helal, pós-doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT.

A carga pode ser realizada através de um material de diferentes maneiras. Estamos mais familiarizados com a carga transportada pelos elétrons que ajudam a formar um átomo. Aplicações comuns incluem células solares. Mas existem muitos dispositivos – como células de combustível e baterias de lítio – que dependem do movimento dos próprios átomos carregados, ou ions, e não apenas dos seus elétrons.

Os materiais por trás das aplicações baseadas no movimento de íons, conhecidos como eletrólitos sólidos, são a cerâmica. A cerâmica, por sua vez, é composta por minúsculos grãos de cristalito que são compactados e queimados em altas temperaturas para formar uma estrutura densa. O problema é que os íons que viajam através do material ficam frequentemente bloqueados nas fronteiras entre os grãos.

Em seu artigo de 2022, a equipe do MIT mostrou que a luz ultravioleta (UV) brilha em um eletrólito sólido causa essencialmente perturbações eletrônicas nos limites dos grãos que, em última análise, reduzem a barreira que os íons encontram nesses limites. O resultado: “Conseguimos aumentar o fluxo dos íons por um fator de três”, diz Tuller, criando um sistema muito mais eficiente.

Na época, a equipe estava entusiasmada com o potencial de aplicação do que havia descoberto em diferentes sistemas. No trabalho de 2022, a equipe utilizou luz ultravioleta, que é rapidamente absorvida bem próximo à superfície de um material. Como resultado, essa técnica específica só é eficaz em filmes finos de materiais. (Felizmente, muitas aplicações de eletrólitos sólidos envolvem filmes finos.)

A luz pode ser considerada como partículas – fótons – com diferentes comprimentos de onda e energias. Estas variam desde ondas de rádio de energia muito baixa até raios gama de energia muito alta emitidos pelo decaimento radioativo de materiais nucleares. A luz visível – e a luz UV – são de energias intermediárias e se enquadram entre os dois extremos.

A técnica do MIT relatada em 2022 funcionou com luz UV. Funcionaria com outros comprimentos de onda de luz, abrindo potencialmente novas aplicações? Sim, a equipe encontrou. No presente artigo eles mostram que os raios gama também modificam os limites dos grãos, resultando em um fluxo mais rápido de íons que, por sua vez, pode ser facilmente detectado. E como os raios gama de alta energia penetram muito mais profundamente do que a luz UV, “isto estende o trabalho a cerâmicas a granel baratas, além de filmes finos”, diz Tuller. Também permite uma nova aplicação: uma abordagem alternativa para a detecção de materiais nucleares.

Os detectores de radiação de última geração dependem de um mecanismo completamente diferente daquele identificado no trabalho do MIT. Eles dependem de sinais derivados de elétrons e suas contrapartes, buracos, em vez de íons. Mas estes portadores de carga eletrônica devem percorrer distâncias comparativamente grandes até aos eletrodos que os “capturam” para criar um sinal. E ao longo do caminho, eles podem ser facilmente perdidos, pois, por exemplo, atingem imperfeições em um material. É por isso que os detectores atuais são feitos de monocristais extremamente puros de material que permitem um caminho desimpedido. Eles podem ser feitos apenas com determinados materiais e são difíceis de processar, tornando-os caros e difíceis de escalar em dispositivos grandes.

Em contrapartida, a nova técnica funciona por causa das imperfeições – grãos – do material. “A diferença é que contamos com correntes iônicas moduladas nos limites dos grãos, em comparação com o estado da arte que depende da coleta de portadores eletrônicos de longas distâncias”, diz Defferriere.

Diz Rupp: “É notável que os 'grãos' volumosos dos materiais cerâmicos testados revelaram altas estabilidades da química e da estrutura em relação aos raios gama, e apenas as regiões limite dos grãos reagiram na redistribuição de carga de portadores e defeitos majoritários e minoritários.”

Comenta Li, “Este efeito de radiação iônica é distinto dos mecanismos convencionais de detecção de radiação onde elétrons ou fótons são coletados. Aqui, a corrente iônica está sendo coletada.”

Igor Lubomirsky, professor do Departamento de Materiais e Interfaces do Instituto Weizmann de Ciência, Israel, que não esteve envolvido no trabalho atual, diz: “Achei muito frutífera a abordagem seguida pelo grupo do MIT na utilização de condutores de íons de oxigênio policristalinos, dada a promessa [dos materiais] de fornecer operação confiável sob irradiação sob as condições adversas esperadas em reatores nucleares, onde tais detectores frequentemente sofrem de fadiga e envelhecimento. [Eles também] se beneficiam de custos de fabricação muito reduzidos.”

Como resultado, os engenheiros do MIT estão esperançosos de que o seu trabalho possa resultar em detectores novos e mais baratos. Por exemplo, eles imaginam caminhões carregados com carga de navios porta-contêineres passando por uma estrutura que possui detectores em ambos os lados ao saírem de um porto. “Idealmente, você teria um conjunto de detectores ou um detector muito grande, e é aí que [os detectores de hoje] realmente não escalam muito bem”, diz Tuller.

Outra aplicação potencial envolve o acesso à energia geotérmica, ou ao calor extremo abaixo dos nossos pés, que está a ser explorado como uma alternativa livre de carbono aos combustíveis fósseis. Sensores de cerâmica nas extremidades das brocas poderiam detectar bolsões de calor – radiação – para perfurar. A cerâmica pode facilmente suportar temperaturas extremas de mais de 800 graus Fahrenheit e as pressões extremas encontradas nas profundezas da superfície da Terra.

A equipe está entusiasmada com aplicações adicionais para seu trabalho. “Esta foi uma demonstração de princípio com apenas um material”, diz Tuller, “mas existem milhares de outros materiais bons na condução de íons”.

Conclui Defferriere: “É o início de uma jornada no desenvolvimento da tecnologia, então há muito para fazer e muito para descobrir.”

Este trabalho é atualmente apoiado pelo Departamento de Segurança Interna dos EUA, Escritório de Combate às Armas de Destruição em Massa. Este apoio não constitui um endosso expresso ou implícito por parte do governo. Também foi financiado pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa dos EUA.