Los nanomateriales ofrecen una forma más rápida y segura de desarrollar dispositivos para la detección de amenazas nucleares
Los materiales nucleares especiales, como el uranio enriquecido y el plutonio, suponen una grave amenaza por su posible uso en armas nucleares. Sin embargo, detectarlos a tiempo sigue siendo un reto importante para la seguridad mundial. Estos materiales emiten radiaciones débiles que pueden blindarse fácilmente, por lo que su presencia es difícil de rastrear con detectores de radiación convencionales. Sin embargo, la detección de los neutrones que emiten o producen al ser interrogados con fuentes de radiación ofrece una solución prometedora. El equipo del proyecto NASCAR, financiado con fondos europeos, tenía como objetivo crear un nuevo tipo de detector capaz de detectar con eficacia estos neutrones. En lugar de recurrir a tecnologías voluminosas o peligrosas, el equipo recurrió a la nanotecnología, en concreto, a nanorods de óxido de zinc (ZnO) dopados con el isótopo litio-6. El proyecto fue coordinado por Murat Kurudirek en con Paul Sellin, de la Universidad de Surrey (el Reino Unido), Anna Erickson y Nolan Hertel, del Instituto de Tecnología de Georgia (los Estados Unidos).
Una forma mejor de detectar las amenazas nucleares
Los detectores de neutrones convencionales suelen utilizar gases raros o tóxicos, como el helio-3 o el trifluoruro de boro. Estos materiales gaseosos son caros, a veces peligrosos, y los sistemas que los utilizan son difíciles de escalar. Los investigadores de NASCAR diseñaron un material detector alternativo basado en matrices de nanorods de ZnO cultivadas mediante una técnica de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente. «En este proyecto se utiliza una técnica de crecimiento en solución de bajo coste, que no requiere sustratos monocristalinos o conductores ni altas temperaturas para funcionar», explica Murat Kurudirek, investigador del proyecto NASCAR. El método permite controlar con precisión la forma y el tamaño de los nanorods, al tiempo que reduce los costes y evita la necesidad de equipos complejos. Los detectores se fabrican cultivando nanorods de ZnO cónicos y alineados verticalmente, diminutas varillas cristalinas que guían con eficacia hacia un sensor la luz de centelleo producida en las varillas por las interacciones de la radiación. Esta estructura mejora la resolución espacial y reduce la pérdida de fotones.
Aumento de la sensibilidad a los neutrones con litio-6
Los neutrones térmicos son difíciles de detectar sin un material que pueda capturarlos eficazmente. Por este motivo, el equipo del proyecto incorporó el litio-6, un isótopo estable con una fuerte interacción con neutrones de baja energía o térmicos. «Cuando se integra con 6Li, que tiene una sección transversal de interacción de neutrones térmicos muy alta, el ZnO se vuelve muy sensible a los neutrones térmicos a través de las reacciones n-α (n,α)», afirma Kurudirek. A continuación, las partículas α y los tritones procedentes de la interacción neutrón-litio desencadenan emisiones luminosas en la estructura de ZnO. El equipo desarrolló conjuntos de nanorods incorporados con litio que mostraron una gran sensibilidad a los neutrones térmicos en pruebas de laboratorio. Sus prometedores resultados se están preparando ahora para su publicación científica.
De la innovación en el laboratorio a la repercusión en la vida real
Además de sus prestaciones de laboratorio, los detectores ofrecen características adecuadas para su uso en la vida real. Son compactas, rentables y rápidas, por lo que resultan ideales para unidades móviles de detección y sistemas de vigilancia al instante en el control de fronteras, la inspección de cargas y la no proliferación nuclear. «Las nanomatrices cónicas de ZnO pueden ayudar a la captación de luz en la estructura y mejorar así la eficacia del centelleo», afirma Kurudirek. Su diseño exclusivo ayuda a guiar la luz directamente al detector, lo que mejora la resolución espacial y reduce la pérdida de señal, dos retos importantes en las tecnologías de detección nuclear. Murat Kurudirek, que ahora trabaja en la Universidad Atatürk de Turquía, tiene previsto aprovechar la experiencia de NASCAR solicitando subvenciones competitivas para crear un grupo de investigación internacional. Su objetivo es crear nuevas generaciones de tecnologías de detección nuclear asequibles, accesibles y respetuosas con el medio ambiente. Al sentar las bases de la próxima generación de detectores, en el proyecto NASCAR se ha abierto una vía modulable hacia la detección de neutrones de alto rendimiento. Esto supone un paso importante hacia la mejora de la seguridad pública y la seguridad nuclear mundial.
Palabras clave
NASCAR, litio-6, nanotecnología, nanorods de ZnO, detección de neutrones, seguridad pública
