Les scintillateurs sont des matériaux qui émettent de la lumière lorsqu'ils sont bombardés de particules à haute énergie ou de rayons X. Dans les systèmes à rayons X médicaux ou dentaires, ils convertissent le rayonnement X entrant en lumière visible qui peut ensuite être capturée à l'aide d'un film ou de photocapteurs. Ils sont également utilisés pour les systèmes de vision nocturne et pour la recherche, comme dans les détecteurs de particules ou les microscopes électroniques.

Des chercheurs du MIT ont maintenant montré comment on pouvait améliorer l'efficacité des scintillateurs d'au moins dix fois, voire cent fois, en modifiant la surface du matériau pour créer certaines configurations à l'échelle nanométrique, telles que des réseaux de crêtes en forme de vagues. Alors que les tentatives passées pour développer des scintillateurs plus efficaces se sont concentrées sur la recherche de nouveaux matériaux, la nouvelle approche pourrait en principe fonctionner avec n'importe lequel des matériaux existants.

Bien qu'il faudra plus de temps et d'efforts pour intégrer leurs scintillateurs dans les appareils à rayons X existants, l'équipe pense que cette méthode pourrait conduire à des améliorations des radiographies diagnostiques médicales ou des tomodensitogrammes, afin de réduire l'exposition à la dose et d'améliorer la qualité de l'image. Dans d'autres applications, telles que l'inspection par rayons X de pièces fabriquées pour le contrôle qualité, les nouveaux scintillateurs pourraient permettre des inspections avec une plus grande précision ou à des vitesses plus rapides.

Les résultats sont décrits dans la revue Science , dans un article des doctorants du MIT Charles Roques-Carmes et Nicholas Rivera; les professeurs du MIT Marin Soljacic, Steven Johnson et John Joannopoulos; et 10 autres.

Alors que les scintillateurs sont utilisés depuis environ 70 ans, une grande partie de la recherche dans ce domaine s'est concentrée sur le développement de nouveaux matériaux qui produisent des émissions lumineuses plus brillantes ou plus rapides. La nouvelle approche applique plutôt les progrès de la nanotechnologie aux matériaux existants. En créant des motifs dans les matériaux scintillateurs à une échelle de longueur comparable aux longueurs d'onde de la lumière émise, l'équipe a découvert qu'il était possible de modifier radicalement les propriétés optiques du matériau.

Pour fabriquer ce qu'ils ont appelé des "scintillateurs nanophotoniques", explique Roques-Carmes, "vous pouvez créer directement des motifs à l'intérieur des scintillateurs, ou vous pouvez coller sur un autre matériau qui aurait des trous à l'échelle nanométrique. Les spécificités dépendent de la structure exacte et du matériau. " Pour cette recherche, l'équipe a pris un scintillateur et a fait des trous espacés d'environ une longueur d'onde optique, soit environ 500 nanomètres (milliardièmes de mètre).

"La clé de ce que nous faisons est une théorie générale et un cadre que nous avons développés", déclare Rivera. Cela permet aux chercheurs de calculer les niveaux de scintillation qui seraient produits par n'importe quelle configuration arbitraire de structures nanophotoniques. Le processus de scintillation lui-même implique une série d'étapes, ce qui le rend compliqué à démêler. Le cadre développé par l'équipe implique l'intégration de trois types de physique différents, explique Roques-Carmes. En utilisant ce système, ils ont trouvé une bonne correspondance entre leurs prédictions et les résultats de leurs expériences ultérieures.

Les expériences ont montré une amélioration décuplée de l'émission du scintillateur traité. "Donc, c'est quelque chose qui pourrait se traduire par des applications d'imagerie médicale, qui manquent de photons optiques, ce qui signifie que la conversion des rayons X en lumière optique limite la qualité de l'image. [En imagerie médicale,] vous ne voulez pas irradier votre les patients avec trop de rayons X, en particulier pour le dépistage de routine, et en particulier pour les jeunes patients également », explique Roques-Carmes.

"Nous pensons que cela ouvrira un nouveau champ de recherche en nanophotonique", ajoute-t-il. "Vous pouvez utiliser une grande partie du travail et de la recherche existants dans le domaine de la nanophotonique pour améliorer considérablement les matériaux existants qui scintillent."

Soljacic dit que bien que leurs expériences aient prouvé qu'une amélioration décuplé des émissions pouvait être obtenue, en affinant davantage la conception de la structuration à l'échelle nanométrique, "nous montrons également que vous pouvez obtenir jusqu'à 100 fois [l'amélioration], et nous pensons que nous avons également un moyen de l'améliorer encore », déclare-t-il.

Soljacic souligne que dans d'autres domaines de la nanophotonique, un domaine qui traite de la façon dont la lumière interagit avec des matériaux structurés à l'échelle du nanomètre, le développement de simulations informatiques a permis des améliorations rapides et substantielles, par exemple dans le développement de cellules solaires et de LED. . Les nouveaux modèles que cette équipe a développés pour les matériaux scintillants pourraient faciliter des sauts similaires dans cette technologie, dit-il.

Les techniques de nanophotonique "vous donnent le pouvoir ultime d'adapter et d'améliorer le comportement de la lumière", déclare Soljacic. "Mais jusqu'à présent, cette promesse, cette capacité à faire cela avec la scintillation était inaccessible car la modélisation de la scintillation était très difficile. Maintenant, ce travail ouvre pour la première fois ce domaine de la scintillation, l'ouvre complètement, pour l'application des techniques de nanophotonique ." Plus généralement, l'équipe pense que la combinaison de la nanophotonique et des scintillateurs pourrait à terme permettre une résolution plus élevée, une dose de rayons X réduite et une imagerie par rayons X à résolution énergétique.

Yablonovitch ajoute que même si le concept doit encore être prouvé dans un dispositif pratique, il dit que, "Après des années de recherche sur les cristaux photoniques dans la communication optique et d'autres domaines, il est grand temps que les cristaux photoniques soient appliqués aux scintillateurs, qui sont de grande importance pratique mais ont été négligées" jusqu'à ce travail.

L'équipe de recherche comprenait Ali Ghorashi, Steven Kooi, Yi Yang, Zin Lin, Justin Beroz, Aviram Massuda, Jamison Sloan et Nicolas Romeo du MIT; Yang Yu chez Raith America, Inc.; et Ido Kaminer au Technion en Israël. Le travail a été soutenu, en partie, par le bureau de recherche de l'armée américaine et le laboratoire de recherche de l'armée américaine par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies, par le bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air et par une bourse d'ingénierie Mathworks. + Explorer plus loin

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