Dans l’objectif d’aller vers des diagnostics médicaux non invasifs plus sûrs, une équipe de chercheurs des universités d’Oxford et de Cambridge a fait une découverte innovante en utilisant un matériau de cellule solaire, le bismuth oxyiodure (BiOI), pour détecter des taux de doses de rayons X 250 fois plus faibles que les détecteurs actuels.
« Nous avons développé des cristaux simples de BiOI en détecteurs de rayons X qui fonctionnent plus de 100 fois mieux que l’état actuel de l’art pour l’imagerie médicale, » a déclaré Dr Robert Hoye de l’Université d’Oxford, qui a dirigé les travaux.
“Le BiOI est non toxique, stable dans l’air, et peut être cultivé de manière rentable et à grande échelle. Nous sommes très enthousiasmés par le potentiel du BiOI pour rendre la prochaine génération de diagnostics non invasifs plus accessibles, plus sûrs et plus efficaces.”
La substance BiOI est un semi-conducteur non toxique qui absorbe la lumière visible et est stable à l’air libre. Il contient deux éléments lourds – le bismuth et l’iode – ce qui lui permet d’absorber fortement les rayons X.
Cependant, les tentatives précédentes pour transformer le BiOI en détecteurs de rayons X ont été infructueuses en raison des pertes d’énergie significatives causées par des défauts issus de la nature nanocristalline des détecteurs fabriqués.
Face à ce défi, les chercheurs ont développé et breveté une méthode pour faire croître des monocristaux de haute qualité de BiOI grâce à une approche basée sur la vapeur, facilement adaptable à grande échelle. La faible densité de défauts dans ces cristaux a permis de générer des courants stables et ultra-faibles, essentiels pour améliorer considérablement la sensibilité et la limite de détection de ce matériau aux rayons X.
« Le fait de montrer que ces cristaux, cultivés simplement à basse température et stables, peuvent offrir une telle sensibilité pour la détection de rayons X est tout à fait remarquable« , a déclaré le Professeur Judith Driscoll du Département des Sciences des Matériaux et de la Métallurgie de Cambridge, qui a co-dirigé les travaux.
Le groupe de chercheurs interdisciplinaires a pu comprendre pourquoi le BiOI est si performant en tant que détecteur de rayons X grâce à l’utilisation de techniques optiques avancées pour résoudre des processus se déroulant en une fraction de seconde, en lien avec des simulations illustrant ce qui se passe au niveau atomique.
Dr Bartomeu Monserrat, également du Département des Sciences des Matériaux et de la Métallurgie de Cambridge et co-directeur du projet, a expliqué : « Nous avons construit un modèle mécanique quantique microscopique d’électrons et d’ions qui peut expliquer pleinement les remarquables propriétés optoélectroniques du BiOI qui en font un matériau si bon pour la détection des rayons X« .
Grâce à leurs travaux, les chercheurs envisagent maintenant d’appliquer ces nouvelles connaissances pour concevoir des matériaux aux propriétés avantageuses similaires à celles du BiOI, ainsi que pour améliorer ses propriétés de transport. Ils cherchent également à augmenter la taille des détecteurs BiOI, tout en préservant les propriétés exceptionnelles observées dans les monocristaux.
Les détails de cette découverte ont été publiés dans la revue Nature Communications.
L’étude a également impliqué des chercheurs de l’Imperial College de Londres, de l’Université Queen Mary de Londres, de l’Université technique de Munich et du CNRS de Toulouse. Ce travail offre des perspectives précieuses pour un futur de diagnostics médicaux non invasifs plus sûrs et plus efficaces.
Référence : R A Jagt, I Bravić, et al. ‘Layered BiOI single crystals capable de détecter de faibles débits de dose de rayons X.’ Nature Communications (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38008-4
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