Nella società moderna, il rilevamento e la metrologia dei radionuclidi gassosi sono temi fondamentali per diverse applicazioni. Ad esempio, l’accurato rilevamento degli isotopi radioattivi di Xe, di 85Kr e di altri prodotti di attivazione come 3H e 37Ar sono necessari per il controllo in centrali nucleari, per impianti di trattamento e gestione di scorie nucleari, o per l’individuazione di impianti e siti di test nucleari clandestini vietati dal Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBTO, https://www.ctbto.org). Sono sempre più necessarie misurazioni precise della concentrazione di 133Xe nello sviluppo delle tecniche più avanzate di diagnostica per inalazione con lo scopo di valutare la funzione polmonare, ottenere un imaging accurato dei polmoni e controllare il flusso sanguigno celebrale in maniera non invasiva. Allo stesso modo, la rilevazione e misurazione di isotopi naturali come 222Rn e 220Rn, che sono causa significativa di cancro ai polmoni, e altri gas radioattivi naturali stanno diventando sempre più urgenti in ambito sanitario e per le geoscienze.
I radionuclidi citati vengono solitamente individuati rilevando le particelle beta (elettroni) emesse durante la loro disintegrazione. Il rilevamento di b-emettitori non è in generale un processo semplice a causa della minima penetrazione delle particelle beta nella materia. Sono state sviluppate diverse tecnologie per sondare i gas b-emettitori, a seconda della specie di radionuclide e dei valori target di attività che devono essere rilevati. Oggi i contatori a scintillazione liquida sono il metodo di riferimento per misurare liquidi e gas radioattivi attraverso tecniche di rivelazione a coincidenza temporale. Tuttavia, l'uso di questi rivelatori è molto limitato dalla scarsa solubilità dei gas nel liquido, e inoltre, l'uso di questa tecnica su larga scala genererebbe una notevole quantità di scorie di solventi organici radioattivi di difficile gestione.
Negli ultimi anni sono state sviluppate tecniche molto sofisticate per misurare basse concentrazioni di isotopi di Xe nell'aria. Sebbene la sensibilità sia alta il sistema presenta alcuni inconvenienti in quanto è limitato ad alcuni isotopi che offrono uno schema di disintegrazione specifico, e da protocolli di calibrazione estremamente complessi ma necessari a tracciare livelli estremamente bassi di radioattività.
Per superare questi problemi, un team di ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca guidati dai Proff. Angelo Monguzzi, Angiolina Comotti e Anna Vedda insieme a gruppi di ricerca dell’Università di Lione e dell’ Università di Paris-Saclay hanno proposto una metodologia di rivelazione radicalmente innovativa, realizzando dei cristalli scintillanti altamente porosi - metal-organici frameworks (MOFs) progettati per estendere notevolmente la probabilità di interazione gas-materia. Questi materiali combinano una scintillazione efficiente, veloce e isotropa, garantendo una risposta 3D omogenea e un'elevata sensibilità. Nello specifico, si è dimostrata la capacità di cristalli MOF porosi a base di afnio che sfruttano il dicarbossi-9,10-difenilantracene (DPA) come legante scintillante organico. Essi mostrano una scintillazione veloce nel regime dei nanosecondi, adatta alle tecniche di misura basate sulla coincidenza temporale, e un'elevata efficienza di fluorescenza. I risultati sperimentali sono stati correlati ad un modello computazionale dettagliato che dimostra una porosità particolarmente adatta ad ospitare atomi e ioni di gas nobili, come Xe, Kr, Rn e H. La presenza di un elemento pesante come l'afnio amplifica la resa quantica di scintillazione superando le performance di alcuni scintillatori commerciali. Queste eccellenti caratteristiche hanno consentito di verificare l'assorbimento e la rilevazione dei radionuclidi 85Kr, 222Rn e 3H in un dispositivo di nuova concezione che sfrutta la polvere cristallina del nanoscintillatore come collettore e concentratore di gas. I MOF porosi mostrano una sensibilità migliore rispetto alle polveri scintillanti di riferimento attualmente testate per la rivelazione di gas, insieme ad un'eccellente risposta lineare fino ad un valore di attività inferiore a 1 kBq·m-3, superando così il limite di sensibilità di alcuni dispositivi commerciali. Questi risultati sono ottenuti in un'architettura compatta e maneggevole di nuova concezione per il rivelatore che supporta il potenziale trasferimento tecnologico del dispositivo proposto mediante l'uso di cristalli MOF porosi scintillanti come elementi attivi per fabbricare sensori tecnologicamente accattivanti per il rilevamento di gas radioattivi naturali e antropogenici a concentrazioni estremamente basse.
I risultati di questo studio sono stati riportati nell’articolo “Efficient radioactive gas detection by scintillating porous metal–organic frameworks” (DOI:10.1038/s41566-023-01211-2) pubblicato nella prestigiosa rivista Nature Photonics (Impact Factor 35.0, Journal Citation Report (Clarivate Analytics, 2022)).