Multielement absorption-edge complementarity in liquid metal amalgams enables Pb-free, lightweight, and flexible X-ray shielding
Questo studio introduce un amalgama di metallo liquido flessibile e privo di piombo, composto da una matrice di Ga-In-Sn e fino a 27 elementi metallici dispersi, che elimina le deboli finestre di assorbimento nell'intervallo 1–100 keV, ottenendo un'efficienza di schermatura del 39% superiore rispetto al piombo pur mantenendo le prestazioni sotto deformazione estrema.
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I raggi X sono uno strumento potente che permette ai medici di vedere all'interno del corpo umano e agli ingegneri di ispezionare l'integrità di ponti e aeromobili. Tuttavia, questa energia invisibile è anche pericolosa, capace di danneggiare i tessuti viventi e il DNA. Per decenni, il modo standard per bloccare questa radiazione è stato il piombo, un metallo pesante e rigido che ha servito come scudo d'oro negli ospedali e negli ambienti industriali. Sebbene efficace, il piombo presenta significativi svantaggi: è tossico, abbastanza pesante da causare sforzo fisico al personale medico che indossa dispositivi protettivi, e abbastanza rigido da creparsi sotto stress. Inoltre, il piombo ha una specifica debolezza; non è molto bravo ad assorbire i raggi X in un certo intervallo di energia comunemente utilizzato nell'imaging medico, lasciando una lacuna nella protezione dove la radiazione può ancora passare. Gli scienziati cercano da tempo un materiale che sia leggero, flessibile, non tossico e capace di fermare le radiazioni attraverso tutti i livelli di energia senza queste lacune.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo materiale che affronta queste sfide trasformando il concetto di uno scudo solido in uno liquido. Invece di fare affidamento su un singolo elemento come il piombo, hanno creato una sostanza densa, simile a una pasta, ottenuta mescolando una lega metallica liquida con ventiquattro diversi metalli solidi. Questa miscela, che chiamano amalgama di metallo liquido, agisce come una matrice malleabile che può essere stesa su guanti o grembiuli. L'idea centrale dietro questo design è quella di utilizzare le proprietà uniche di molti diversi metalli che lavorano insieme. Ogni metallo ha livelli di energia specifici in cui è eccezionalmente bravo ad assorbire i raggi X, un fenomeno noto come bordo di assorbimento. Mentre un singolo metallo potrebbe essere efficace solo a uno o pochi livelli di energia specifici, combinare ventiquattro metalli diversi crea una situazione in cui ci sono centinaia di questi punti di assorbimento distribuiti attraverso l'intero spettato di energie dei raggi X. Ciò assicura che, indipendentemente dall'energia del raggio X, ci sia un metallo nella miscela pronto a fermarlo, eliminando efficacemente i punti deboli presenti nei tradizionali scudi di piombo.
Per creare questo materiale, i ricercatori sono partiti da una lega metallica liquida composta da gallio, indio e stagno, che rimane liquida a temperatura ambiente. In questo liquido, hanno disperso con cura ventiquattro polveri di metalli solidi, inclusi elementi come oro, platino, tungsteno e bismuto. Hanno escluso elementi tossici o radioattivi per garantire la sicurezza, concentrandosi invece su metalli sicuri da maneggiare ed efficaci nel bloccare le radiazioni. Il risultato è una sostanza che appare e si sente come una pasta pesante, ma fluisce e si estende come un liquido denso. Poiché le particelle di metallo solido sono sospese all'interno del liquido, il materiale può essere modellato per adattarsi a qualsiasi forma, da un ginocchio curvo a una parete piatta, senza creparsi. I ricercatori hanno scoperto che questa miscela contiene 208 punti distinti in cui risuona con l'energia dei raggi X, un numero che supera di gran lunga i nove punti trovati nel piombo. Questo enorme numero di punti di assorbimento permette al materiale di bloccare le radiazioni molto più efficientemente del piombo della stessa massa.
Quando il team ha testato il materiale, ha scoperto che era straordinariamente efficace. In simulazioni e test in condizioni reali utilizzando macchine per raggi X medicali, il nuovo amalgama ha bloccato significativamente più radiazioni rispetto a uno spessore equivalente di piombo. Nello specifico, ha ridotto l'ammontare di radiazioni che passano attraverso una percentuale maggiore, mostrando un miglioramento del 39 percento nelle prestazioni di schermatura rispetto al piombo della stessa massa. Forse la cosa più importante è che il materiale ha mantenuto il suo potere protettivo anche quando è stato teso fino a dieci volte la sua lunghezza originale o piegato ripetutamente. A differenza dei tradizionali scudi flessibili, che spesso utilizzano una base di plastica che indebolisce la protezione complessiva, questa miscela di metallo liquido rimane forte ed efficace anche quando viene deformata. Il materiale si è anche dimostrato stabile sotto alte dosi di radiazioni e attraverso diverse temperature, non mostrando segni di decomposizione o perdita della capacità di bloccare i raggi X.
Il potenziale impatto di questa scoperta è stato dimostrato in organismi viventi. In esperimenti condotti su topi, i ricercatori hanno utilizzato il nuovo materiale per proteggere gli animali da una dose elevata di raggi X. I risultati hanno mostrato che i topi protetti dall'amalgama non hanno subito danni al DNA, hanno mantenuto conteggi normali delle cellule del sangue e non hanno mostrato segni di lesioni tissutali, mentre i topi non protetti hanno subito danni gravi. Il materiale è stato così efficace da ridurre la dose di radiazioni che raggiunge gli animali a un livello molto al di sotto della soglia per causare danni diretti. Oltre al laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che questo materiale può essere facilmente applicato a guanti e grembiuli medici standard. Questi nuovi indumenti protettivi sarebbero della metà del peso dell'attuale attrezzatura a base di piombo, offrendo un'esperienza molto più confortevole per medici e pazienti pur fornendo una protezione superiore. Questo lavoro suggerisce una nuova strada per la sicurezza dalle radiazioni, passando da metalli pesanti e tossici verso una soluzione flessibile, leggera e altamente efficiente che si adatta alla forma del corpo umano.
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