Hackmanitplattor som har ändrat färg vid strålning i Strålsäkerhetscentralens laboratorium. Plattorna visar den fördjupande färgen när stråldosen ökar:ju kortare avstånd, desto större dos och djupare färg. Na, Br, K, Rb och Li är olika hackmanittyper. Kredit:Åbo universitet
Forskare vid Åbo universitet, Finland, har länge studerat färgförändrande egenskaper hos det naturliga mineralet hackmanit vid exponering för UV-strålning eller röntgenstrålar. Nu studerar forskargruppen syntetisk hackmanits reaktioner på kärnstrålning. Forskarna upptäckte ett unikt och nytt intelligent kvalitet, gammaexponeringsminne, som tillåter användning av hackmanit som till exempel en strålningsdetektor.
Forskargruppen har under flera år studerat det unika naturliga mineralet hackmanit och dess egenskaper. De har utvecklat en metod för att syntetisera hackmanit och skapat många applikationer som utnyttjar materialets färgförändrande och luminescensegenskaper. För tillfället utvecklar gruppen till exempel en hackmanitbaserad icke-elektronisk UV-strålningsdosimeter, som kommer att testas vid den internationella rymdstationen. Strålningsexponering i rymden kan mätas genom att observera hackmanitens skiftande färg från vit till rosa orsakad av UV-strålning.
Forskarna har nu även undersökt hur den syntetiska hackmaniten reagerar när den utsätts för alfapartiklar, beta-partiklar (positroner) eller gammastrålning. De upptäckte att hackmanit ändrar färg från exponering för dessa strålningstyper också, vilket betyder att det också är ett radiokromt material. Detta var tidigare okänt.
Strålningens påverkan studerades i svenska partners laboratorium i Umeå, Strålsäkerhetscentralens laboratorium och Åbo universitets radiokemiska laboratorium genom att placera hackmanitplattor på olika avstånd från strålkällor under varierande perioder av tid, vilket exponerade dem för olika doser av strålning.
"Efter det fotograferades proverna och deras reflektansspektra mättes för att ge information om deras färgdjup och om färgningen liknade prover som exponerats för t.ex. UV-ljus och röntgenstrålar. Färgförändringen vid exponering för kärnstrålning var mycket lik UV-strålning och röntgenexponering, men långsammare, på grund av att det mesta av denna strålning passerar genom materialet utan att påverka det, säger doktorandforskaren Sami Vuori.
Färgförändringen i hackmanit är likartad i alla strålningsexponeringar, men det fanns en liten skillnad i spektra för de prover som exponerats för kärnstrålning. Enligt forskarna var detta nyckeln till att upptäcka en ny funktion.
Gamma-exponeringsminne möjliggör hackmanitbaserade giftfria strålningsdetektorer
Forskarna märkte att hackmanit som hade färgats med kärnstrålning kan återställas till sin ursprungliga färg på samma sätt som den som utsätts för UV-strålning och röntgenstrålar, det vill säga genom att värma materialet eller utsätta det för vitt ljus.
"Vi märkte att hackmanit dock kommer att bevara ett minnesspår av exponeringen för högenergistrålning såsom alfapartiklar eller gammastrålning. Minnesspåret kommer att finnas kvar även när färgen ändras tillbaka till originalet. Det blir synligt när provet är färgas igen med en UV-lampa. För blotta ögat liknar färgen det material som utsätts för UV-strålning eller röntgenstrålar, men spektrometri avslöjar en liten men tydlig förändring i formen på signalen", säger forskningsledaren. grupp, professor Mika Lastusaari.
Med beräkningsresultat kunde forskarna verifiera att kärnstrålning skapar en ny typ av strukturella defekter i hackmanit. Denna defekt fungerar som en viss typ av minnesenhet i materialet. Strålningen förstör inte hackmaniten, utan erbjuder en ny typ av intelligent funktion, gammaexponeringsminne, som enligt forskarna inte har upptäckts i något annat material. Trots gammaexponeringsminnet och den strukturella defekten förblir en av de grundläggande intelligenta egenskaperna hos hackmanit, förmågan att ändra färg upprepade gånger.
"Färgförändringen vid kärnstrålning innebär att hackmanit kan användas för att skapa radiokroma filmer som regelbundet används i olika tillämpningar av medicinsk fysik för att mäta stråldoser och kartlägga dosfördelning. De nuvarande radiokroma filmerna är vanligtvis tillverkade av polydiacetylener eller leukomalakitgröna och är antingen ej återanvändbar eller giftig. Hackmanit erbjuder ett giftfritt alternativ som kan användas upprepade gånger. Dessutom har hackmanit en minnesegenskap som andra material saknar. Hackmanit är också ett ekologiskt och billigt material som är lätt att syntetisera", säger Lastusaari.
Studien utfördes av Intelligent Materials Research Group, radiokemiforskningsgruppen och Institutionen för fysik vid Åbo universitet, och beräkningarna gjordes vid University Claude Bernard Lyon 1, Frankrike. Det internationella forskningskonsortiet bestod också av Mineralogical Society i Antwerpen, Belgien, universiteten i Tammerfors och Jyväskylä, Finland, och Försvarets forskningsinstitut.
Studien publicerades i september i tidskriften Materials Horizons . + Utforska vidare
