Significant effect of neodymium oxide (Nd2O3) into mechanical and structural characteristics of lithium borate glass systems for superior radiation-shielding performance

Nel mondo della scienza dei materiali, il vetro è molto più di una semplice lastra per finestre o un contenitore per bere. È un solido amorfo versatile che può essere ingegnerizzato per possedere tratti fisici specifici, dalla durabilità estrema alla capacità di bloccare le radiazioni invisibili. Tra i molti tipi di vetro, il vetro al borato si distingue per la sua flessibilità; la sua struttura interna può essere rimodellata aggiungendo diversi ingredienti chimici, permettendo agli scienziati di sintonizzare le sue proprietà per compiti specifici. Una delle applicazioni più critiche per questi materiali avanzati è la schermatura dalle radiazioni. Negoli ospedali, nelle strutture nucleari e negli ambienti industriali, proteggere le persone e le apparecchiature dai dannosi raggi gamma è una sfida costante. Tradizionalmente, il piombo è stato il materiale di riferimento per questo compito, ma i ricercatori stanno guardando sempre più ad alternative più leggere e rispettose dell'ambiente che non compromettano la sicurezza. La chiave per creare uno scudo migliore risiede nel comprendere come gli atomi minuscoli all'interno del vetro interagiscono tra loro e come cambiare la ricetta possa rendere il materiale più denso ed efficace nel fermare le radiazioni.

Un team di ricercatori provenienti da università dell'Arabia Saudita ed dell'Egitto si è posto l'obiettivo di esplorare un modo specifico per migliorare il vetro al borato di litio. Si sono concentrati su una famiglia di campioni di vetro in cui hanno gradualmente sostituito un ingrediente comune, l'ossido di sodio, con un elemento delle terre rare chiamato ossido di neodimio. L'obiettivo era vedere se questa sostituzione avrebbe rinforzato il vetro e migliorato la sua capacità di bloccare le radiazioni. Il team ha creato cinque diversi lotti di vetro, che andavano da uno privo di neodimio a uno in cui il neodimio costituiva il quattro per cento della miscela. Fondendo accuratamente le polveri grezze e raffreddandole rapidamente, hanno prodotto campioni di vetro solidi che mantenevano la loro struttura chiara e non cristallina. Hanno poi sottoposto questi campioni a una serie di test, misurando il loro peso, il volume e la struttura interna, utilizzando anche simulazioni informatiche per prevedere come avrebbero interagito con i raggi gamma.

I risultati della loro indagine hanno rivelato una tendenza chiara e positiva. Man mano che i ricercatori aggiungevano più ossido di neodimio, il vetro diventava sensibilmente più pesante e denso. La densità dei campioni è salita da circa 3,59 grammi per centimetto cubo nel materiale di partenza a quasi 3,88 grammi per centimetro cubo nel campione con il più alto contenuto di neodimio. Questo aumento di peso non era solo una questione di aggiunta di un elemento più pesante; segnalava un cambiamento fondamentale nel modo in cui il vetro fosse compattato. La struttura interna si è riorganizzata, con gli atomi che si sono avvicinati l'uno all'altro e gli spazi tra di essi che si sono ridotti. Questo processo ha reso il vetro più compatto e robusto. I ricercatori hanno anche osservato che l'aggiunta di neodimio ha aiutato a convertire certe disposizioni atomiche piatte e triangolari in forme piramidali tridimensionali più stabili. Questo spostamento strutturale ha rafforzato i legami che tengono insieme il vetro, rendendo il materiale meno elastico e più resistente allo stress fisico.

Questi miglioramenti strutturali si sono tradotti direttamente in una migliore prestazione quando si trattava di bloccare le radiazioni. Il team ha scoperto che il vetro con la più alta concentrazione di neodimio era lo scudo più efficace. Era più capace di assorbire e disperdere i raggi gamma rispetto ai campioni con meno neodimio. In termini pratici, ciò significa che un pezzo più sottile di questo vetro avanzato potrebbe fornire lo stesso livello di protezione di un pezzo più spesso del vecchio vetro meno modificato. I ricercatori hanno calcolato che il campione con più neodimio aveva la maggiore capacità di fermare le radiazioni attraverso un ampio intervallo di livelli energetici. Hanno anche confermato che il vetro rimaneva stabile e non si trasformava in un solido cristallino, il che avrebbe rovinato le sue proprietà di schermatura. Lo studio suggerisce che, semplicemente regolando la ricetta per includere più neodimio, gli scienziati possono creare un vetro che sia non solo meccanicamente più forte, ma anche una barriera superiore contro le radiazioni, offrendo un'alternativa promettente per l'uso in applicazioni di sicurezza medica e industriale.