Un nanocomposite qui absorbe les rayons X puis, avec une efficacité presque parfaite, réémet l'énergie captée sous forme de lumière, pourrait contribuer à améliorer l'imagerie médicale à haute résolution et le contrôle de sécurité. Le transfert d'énergie de près de 100 % du matériau pourrait apporter des gains d'efficacité dans des dispositifs allant des diodes électroluminescentes (DEL) et des scintillateurs d'imagerie à rayons X, jusqu'aux cellules solaires.

Lors d'une procédure d'imagerie médicale, les rayons X traversant le corps sont absorbés par un matériau scintillateur, qui convertit les rayons X en lumière pour qu'un capteur de type appareil photo numérique les capture. "À ce jour, les scintillateurs hautes performances sont principalement constitués soit de céramique qui nécessite des conditions de préparation difficiles et coûteuses, soit de matériaux pérovskites qui ont une faible stabilité à l'air et à la lumière et une toxicité élevée", explique Jian-Xin Wang, postdoctorant au laboratoire d'Omar Mohammed qui a dirigé le travail.

Les matériaux scintillateurs organiques, en revanche, ont une bonne aptitude au traitement et une bonne stabilité, mais une faible résolution d'imagerie et une faible sensibilité de détection en raison du faible poids atomique (et donc de l'absorption limitée des rayons X) de leurs atomes composants.

Mohammed et ses collègues ont maintenant amélioré la capture des rayons X des scintillateurs organiques en les combinant avec un cadre métallo-organique (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, qui incorpore du zirconium de poids atomique élevé dans des structures hautement ordonnées.

Lorsque la couche MOF du nanocomposite a été frappée par des rayons X, des excitons - des paires excitées d'électrons chargés négativement et de trous chargés positivement - ont été générés. Ces porteurs d'énergie sont facilement transférés du MOF au chromophore organique TADF, aidés par la distance ultracourte qui les sépare, et l'énergie est émise sous forme de lumière.

Critique pour l'efficacité globale du nanocomposite, le chromophore TADF émettait de la lumière quelle que soit la forme de l'exciton. Les excitons "singulet" ont entraîné une émission de lumière directe, et le chromophore TADF a facilement converti les excitons "triplet" non émissifs en l'état singulet émissif. "L'exploitation directe des excitons singulet et triplet des chromophores TADF a grandement contribué à son intensité de radioluminescence et à sa sensibilité aux rayons X remarquablement améliorées", déclare Wang.

En raison de son transfert d'énergie efficace à près de 100 % des rayons X vers la lumière, le scintillateur nanocomposite a atteint une résolution d'imagerie jusqu'à quelques centaines de micromètres et une limite de détection 22 fois inférieure aux doses typiques d'imagerie médicale par rayons X, ajoute Wang.

Le concept a été confirmé lorsque l'équipe a utilisé une stratégie étroitement liée, montrant que le chromophore TADF pouvait également être combiné avec des nanofeuilles de pérovskites pour produire des nanocomposites avec d'excellentes performances de scintillateur d'imagerie par rayons X. Encore une fois, un transfert d'énergie efficace permis par la distance ultracourte entre les couches et l'utilisation directe par le chromophore TADF des états excités singulet et triplet étaient essentiels. Dans ce cas, la limite de détection du matériau a été encore améliorée, atteignant 142 fois moins qu'une dose typique d'imagerie médicale par rayons X.

"Notre stratégie de transfert d'énergie promeut les scintillateurs d'imagerie à rayons X organiques d'un domaine de recherche presque mort dans l'une des applications les plus passionnantes pour la radiologie et le contrôle de sécurité. Elle s'applique également à d'autres applications de conversion de lumière, notamment les diodes électroluminescentes et les cellules solaires, " dit Mahomet. "We are planning to further improve the performance of our large-scale X-ray imaging scintillators before we take it to the market." + Explorer plus loin

Chiral TADF-active polymers for high-efficiency, circularly polarized organic light-emitting diodes