Un modo più sicuro e veloce per sviluppare dispositivi volti al rilevamento delle minacce nucleari grazie ai nanomateriali
I materiali nucleari speciali, come l’uranio arricchito e il plutonio, rappresentano una grave minaccia a causa del loro potenziale utilizzo nelle armi nucleari; ciononostante, la loro individuazione tempestiva costituisce tuttora una sfida significativa per la sicurezza globale in quanto emettono radiazioni deboli che possono essere facilmente schermate, rendendo difficile il compito di rintracciarne la presenza mediante i rilevatori di radiazioni convenzionali. Tuttavia, il rilevamento dei neutroni che emettono o producono quando vengono sottoposti a sorgenti di radiazioni offre una soluzione promettente in tal senso. Il progetto NASCAR, finanziato dall’UE, si prefigge di creare un nuovo tipo di rivelatore che sia in grado di rilevare efficacemente questi neutroni. Invece di affidarsi a tecnologie ingombranti o pericolose, il team si è affidato alle nanotecnologie, e in particolare a nanobarre di ossido di zinco (ZnO) drogate con l’isotopo litio-6. Il progetto è stato coordinato da Murat Kurudirek in collaborazione con Paul Sellin, professori presso l’Università del Surrey nel Regno Unito, nonché da Anna Erickson e Nolan Hertel, docenti presso il Georgia Institute of Technology negli Stati Uniti.
Un modo migliore per rilevare le minacce nucleari
I rivelatori di neutroni convenzionali utilizzano spesso gas rari o tossici, come l’elio-3 o il trifluoruro di boro, materiali gassosi costosi e talvolta pericolosi; inoltre, ampliare la portata dei sistemi che li utilizzano è difficile. I ricercatori di NASCAR hanno progettato un materiale rivelatore alternativo basato su matrici di nanobarre di ZnO coltivate tramite l’applicazione di una tecnica a basso costo ed ecocompatibile. «In questo progetto abbiamo impiegato una tecnica di crescita in soluzione a basso costo che non richiede substrati monocristallini o conduttivi e temperature elevate per funzionare», spiega Murat Kurudirek, attivo in qualità di ricercatore nell’ambito del progetto NASCAR. Il metodo consente di controllare con precisione la forma e le dimensioni delle nanobarre limitando i costi ed evitando la necessità di usare apparecchiature complesse. I rivelatori vengono realizzati facendo crescere nanobarre di ZnO allineate verticalmente e affusolate, minuscoli bastoncini cristallini che guidano in modo efficiente la luce di scintillazione prodotta negli stessi dalle interazioni con le radiazioni verso un sensore, il che dà vita a una struttura in grado di migliorare la risoluzione spaziale e di ridurre la perdita di fotoni.
Migliorare la sensibilità ai neutroni con il litio-6
I neutroni termici sono difficili da rilevare, se non si dispone di un materiale in grado di catturarli efficacemente; per tale ragione, il progetto ha integrato il litio-6, un isotopo stabile caratterizzato da una forte interazione con i neutroni a bassa energia o termici. «Quando viene integrato con il 6Li, dotato di una sezione d’urto di interazione con i neutroni termici molto elevata, lo ZnO diventa altamente sensibile ai neutroni termici attraverso le reazioni n-alfa (n,α)», spiega Kurudirek. Le particelle alfa e i tritoni provenienti dall’interazione tra litio e neutroni innescano quindi emissioni luminose nella struttura dello ZnO. L’équipe ha sviluppato matrici di nanobarre incorporate nel litio che hanno messo in mostra una forte sensibilità ai neutroni termici nei test di laboratorio, generando promettenti risultati attualmente in fase di preparazione per la pubblicazione scientifica.
Dall’innovazione in laboratorio all’impatto sul mondo reale
Oltre alle prestazioni di laboratorio, i rivelatori offrono caratteristiche adatte all’utilizzo reale: sono compatti, economici e veloci, il che li rende ideali per le unità di rilevamento mobili e per i sistemi di monitoraggio in tempo reale in campi quali controllo delle frontiere, ispezione delle merci e non proliferazione nucleare. «Le matrici di nano ZnO affusolate possono favorire la raccolta della luce nella struttura, migliorando in tal modo l’efficienza di scintillazione», spiega Kurudirek. La loro progettazione unica contribuisce a guidare la luce direttamente nel rivelatore migliorando la risoluzione spaziale e riducendo la perdita di segnale, che rappresentano due importanti sfide nelle tecnologie di identificazione di materiale nucleare. Murat Kurudirek, che ora lavora presso l’Università Atatürk in Turchia, intende sfruttare l’esperienza acquisita nell’ambito di NASCAR presentando domanda di sovvenzioni competitive al fine di creare un gruppo di ricerca internazionale, con l’obiettivo di sviluppare nuove generazioni di tecnologie di rilevamento nucleare accessibili, economiche ed ecocompatibili. Gettando le basi per i rivelatori di prossima generazione, il progetto NASCAR ha aperto le porte a un percorso scalabile verso il rilevamento ad alte prestazioni dei neutroni, il che segna un passo importante verso il miglioramento della sicurezza pubblica e della sicurezza nucleare globale.
