Onderzoekers van de Universiteit van Turku, Finland, hebben lang de kleurveranderende eigenschappen van het natuurlijke mineraal hackmaniet bestudeerd bij blootstelling aan UV-straling of röntgenstraling. Nu bestudeert de onderzoeksgroep de reacties van synthetisch hackmaniet op nucleaire straling. De onderzoekers ontdekten een unieke en nieuwe intelligente kwaliteit, gamma-belichtingsgeheugen, dat het gebruik van hackmanite als bijvoorbeeld stralingsdetector mogelijk maakt.

De onderzoeksgroep heeft jarenlang onderzoek gedaan naar het unieke natuurlijke mineraal hackmaniet en de eigenschappen ervan. Ze hebben een methode ontwikkeld om hackmaniet te synthetiseren en hebben talloze toepassingen gemaakt die gebruikmaken van de kleurveranderende en luminescente eigenschappen van het materiaal. Op dit moment ontwikkelt de groep bijvoorbeeld een op hackmanite gebaseerde niet-elektronische UV-stralingsdosismeter, die zal worden getest in het internationale ruimtestation. Blootstelling aan straling in de ruimte kan worden gemeten door de verandering van kleur van hackmanite van wit naar roze te observeren, veroorzaakt door UV-straling.

De onderzoekers hebben nu ook onderzocht hoe de synthetische hackmaniet reageert bij blootstelling aan alfadeeltjes, bètadeeltjes (positronen) of gammastraling. Ze ontdekten dat hackmaniet ook van kleur verandert door blootstelling aan deze stralingstypes, wat betekent dat het ook een radiochroom materiaal is. Dit was voorheen niet bekend.

De impact van de straling is onderzocht in het laboratorium van Zweedse partners in Umeå, het laboratorium van de Finse Autoriteit voor Straling en Nucleaire Veiligheid en het radiochemielaboratorium van de Universiteit van Turku door hackmanietplaten op verschillende afstanden van stralingsbronnen te plaatsen gedurende verschillende perioden van tijd, waardoor ze werden blootgesteld aan verschillende doses straling.

"Daarna werden de monsters gefotografeerd en werden hun reflectiespectra gemeten om informatie te geven over hun kleurdiepte en of de kleur vergelijkbaar was met monsters die werden blootgesteld aan bijvoorbeeld UV-licht en röntgenstralen. De kleurverandering bij blootstelling aan nucleaire straling was lijkt erg op UV-straling en röntgenstraling, maar langzamer, omdat de meeste van deze straling door het materiaal gaat zonder het te beïnvloeden", zegt doctoraal onderzoeker Sami Vuori.

De kleurverandering in hackmanite is vergelijkbaar bij alle blootstellingen aan straling, maar er was een klein verschil in de spectra van de monsters die waren blootgesteld aan nucleaire straling. Volgens de onderzoekers was dit de sleutel tot het ontdekken van een nieuwe functie.

Gamma-belichtingsgeheugen maakt op hackmanite gebaseerde niet-toxische stralingsdetectoren mogelijk

De onderzoekers merkten op dat hackmaniet dat met nucleaire straling was gekleurd, weer in zijn oorspronkelijke kleur kan worden teruggebracht, vergelijkbaar met die van UV-straling en röntgenstraling, namelijk door het materiaal te verhitten of bloot te stellen aan wit licht.

"We hebben gemerkt dat hackmaniet echter een geheugenspoor bewaart van de blootstelling aan hoogenergetische straling zoals alfadeeltjes of gammastraling. Het geheugenspoor blijft behouden, zelfs wanneer de kleur wordt teruggezet naar het origineel. Het wordt zichtbaar wanneer het monster wordt opnieuw gekleurd met een UV-lamp. Met het blote oog is de kleur vergelijkbaar met het materiaal dat wordt blootgesteld aan UV-straling of röntgenstralen, maar spectrometrie onthult een kleine maar duidelijke verandering in de vorm van het signaal", zegt de leider van het onderzoek groep, professor Mika Lastusaari.

Met computationele resultaten konden de onderzoekers verifiëren dat nucleaire straling een nieuw type structureel defect in hackmanite veroorzaakt. Dit defect fungeert als een bepaald type geheugeneenheid in het materiaal. De straling vernietigt de hackmaniet niet, maar biedt een nieuw type intelligente functie, gamma-belichtingsgeheugen, dat volgens de onderzoekers in geen enkel ander materiaal is gedetecteerd. Ondanks het gamma-belichtingsgeheugen en het structurele defect, blijft een van de intelligente basiseigenschappen van hackmanite, het vermogen om herhaaldelijk van kleur te veranderen, hetzelfde.

"De kleurverandering bij nucleaire straling betekent dat hackmaniet kan worden gebruikt om radiochrome films te maken die regelmatig worden gebruikt in verschillende toepassingen van medische fysica om stralingsdoses te meten en de dosisverdeling in kaart te brengen. De huidige radiochrome films zijn meestal vervaardigd uit polydiacetylenen of leucomalachietgroen en zijn ofwel niet-herbruikbaar of giftig. Hackmanieten bieden een niet-toxische optie die herhaaldelijk kan worden gebruikt. Bovendien heeft hackmaniet een geheugeneigenschap die andere materialen niet hebben. Hackmaniet is ook een ecologisch en goedkoop materiaal dat gemakkelijk te synthetiseren is", zegt Lastusaari.

De studie werd uitgevoerd door de Intelligent Materials Research Group, de onderzoeksgroep radiochemie en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Turku, en de berekeningen werden gedaan aan de Universiteit Claude Bernard Lyon 1, Frankrijk. Het internationale onderzoeksconsortium omvatte ook de Mineralogische Vereniging van Antwerpen, België, de Universiteiten van Tampere en Jyväskylä, Finland, en het Swedish Defence Research Agency.

De studie werd in september gepubliceerd in het tijdschrift Materials Horizons . + Verder verkennen

Natuurlijk mineraal hackmaniet maakt nieuwe methode van röntgenbeeldvorming mogelijk