Scintillatori ultraveloci a basso costo sono stati per la prima volta realizzati mediante stampa 3D
utilizzando materiali innovativi come la perovskite e il polisilossano fotopolimerizzabile all’interno
del progetto SHINE (Plastic Scintillators Phantom via Additive Manufacturing Techniques) finanziato
dalla Commissione Scientifica Nazionale 5 (CSN5) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Questo risultato è stato raggiunto grazie alla sinergia di gruppi di ricerca appartenenti a diversi Enti
e Università quali il CNR Nanotec, l’INFN, il CERN di Ginevra, il Dipartimento di Ingegneria
dell’Innovazione e il Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università del Salento, il Dipartimento
di Fisica e Astronomia e il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova, il
Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento e il Dipartimento di Fisica
dell’Università di Bari.
I risultati di questo lavoro sono stati recentemente pubblicati sulla rivista “Advanced Functional
Materials” https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202417653.
“Gli scintillatori, ed in particolari gli scintillatori plastici, sono i materiali più utilizzati, per la loro
versatilità, nella rilevazione della radiazione ionizzante. La loro applicazione va dalla ricerca nella
fisica delle alte energie, alla medicina, all’industria, alla sicurezza. Questi materiali sono tali da
assorbire radiazione ad alta energia convertendola in luce visibile che può essere poi agevolmente
misurata. Aspetti fondamentali per uno scintillatore efficiente sono la capacità di assorbire la
radiazione, che aumenta con l’aumentare del numero atomico degli elementi che lo compongono,
la loro risposta temporale (tempo di decadimento) e la loro resistenza ad elevati campi di radiazione.
Progressi in campo tecnologico e di ricerca richiedono scintillatori con prestazioni sempre più
avanzate e che spesso necessitano di geometrie complesse, impossibili da realizzare con le attuali
tecniche di produzione.
Gli scintillatori prodotti all’interno del progetto SHINE, ottenuti utilizzando materiali compositi
innovativi opportunamente ingegnerizzati per assolvere alle diverse funzioni, costituiscono un
importante punto di partenza verso rivelatori di nuova generazione a basso costo e con prestazioni
avanzate”, spiega Anna Paola Caricato, della sezione INFN di Lecce e docente dell’Università del
Salento, responsabile nazionale del progetto.
“Le perovskiti sono materiali estremante interessanti per le loro proprietà optoelettroniche e sono
note principalmente per la loro applicazione in celle solari. Da qualche anno si stanno rivelando di
grande interesse anche come rivelatori di radiazione grazie alla loro tolleranza al danneggiamento
da radiazione e al loro elevato numero atomico. Le polveri di perovskite utilizzate in questo lavoro
sono state prodotte mediante una tecnica di sintesi meccano-chimica per poi essere inglobate in
resine fotocurabili (cioè, che possono essere polimerizzate in seguito a esposizione alla luce UV o
visibile). Lo studio del processo di sintesi ha permesso di realizzare una fase a bassa dimensionalità
con tempi di risposta inferiori al ns” spiega la Dott.ssa Aurora Rizzo del CNR Nanotec.
“L’ingegnerizzazione di un nanocomposito a base della polvere di perovskite sintetizzata dal gruppo
del CNR Nanotec ha permesso di ottenere una resina scintillante fotocurabile, e quindi stampabile
con stampa 3D (stereolitografia), che ne stabilizza al contempo le proprietà di emissione e
strutturali” aggiunge la Prof. Carola Corcione del Dipartimento di Ingegneria dell’innovazione,
responsabile dell’unità INFN di Lecce del progetto SHINE.
Questo risultato è giunto immediatamente dopo un altro grande traguardo del progetto SHINE
pubblicato su Applied Materials Today
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940724002580) che ha visto, anche in
questo caso per la prima volta, lo sviluppo di una formulazione innovativa della resina a base di
polisilossani, ovvero gomme siliconiche, prodotta via sol-gel e addizionata con molecole fluorescenti
che potesse essere fotocurabile oltre a possedere proprietà di scintillazione.
“Gli scintillatori polisilossanici sono noti per le loro proprietà di resistenza alla radiazione,
deformabilità e inerzia chimica anche in ambienti aggressivi, che di fatto derivano dalla forza del
legame chimico Si-O-Si. Sino a questo momento non esistevano in letteratura composti di questo
tipo stampabili con stampa 3D. Obiettivo principale della prima fase del progetto è stato proprio lo
sviluppo di idonee resine a base silicio fotopolimerizzabili, trasparenti e in grado di solubilizzare
efficacemente il drogante (perovskite e /o colorante) per convertire l’energia della radiazione
incidente in luce” spiega la Dott.ssa S. Carturan coordinatrice dell’attività di sintesi e sviluppo degli
scintillatori polisillosanici, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro.
“Gli scintillatori, che hanno anche
la caratteristica di essere flessibili oltre che resistenti alla radiazione, sono stati stampati con forme
complesse fornendo una buona risposta sotto fascio di protoni e con una resa di luce pari a più del
40% di uno scintillatore plastico commerciale (EJ-212), valore che li rende spendibili in applicazioni
di fisica delle alte energie e per applicazioni mediche come la protonterapia”, specifica la Prof.ssa
Sandra Moretto, del DFA dell’Università di Padova, che ha curato le misure di scintillazione con
sorgenti e sotto fascio ionico.
Il Prof. Gianluca Quarta, coordinatore presso la sezione di Lecce della CSN5 dell’INFN e vicedirettore
del Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università del Salento aggiunge “si tratta di un risultato
che ha visto il coinvolgimento di diversi docenti, ricercatori e competenze del Dipartimento di
Matematica e Fisica: dalla caratterizzazione dei dispositivi fino ai test con fasci di particelle prodotte
dall’acceleratore di particelle del CEDAD, il Centro di Fisica Applicata, Datazione e Diagnostica. Si
tratta di un risultato prestigioso per SHINE, uno degli esperimenti finanziati dalla CSN5 e
attualmente attivi presso la sezione di Lecce e che riguardano le tecnologie quantistiche, le
applicazioni dell’intelligenza artificiale in medicina e lo sviluppo di rivelatori di radiazione di nuova
generazione”
Il Presidente della CSN5, Prof. Alberto Quaranta, conclude: “L’INFN finanzia attività di ricerca
interdisciplinari con attenzione alla ricerca e sviluppo rivelatori innovativi di radiazione da applicare
in settori di interesse per l’Ente.
I rivelatori scintillanti sono dosimetri estremamente interessanti perché possono fornire una
risposta in tempo reale esposti alle radiazioni. Questa caratteristica, unita alla possibilità di
modellare appositamente il rilevatore grazie alle tecniche di produzione additiva, apre la strada a
promettenti applicazioni nella dosimetria clinica risolta in tempo (sia nella radioterapia fotonica
convenzionale che nella terapia con particelle) permettendo di seguire in tempo reale l’energia
rilasciata sull’organo di interesse durante il trattamento anche se questo è in movimento.
Inoltre, la possibilità di stampare scintillatori in 3D consentirà di realizzare nuove geometrie per i
rivelatori per i futuri collisori di particelle, migliorando le prestazioni e riducendo al tempo stesso i
costi di produzione richiesti dalla lavorazione dei materiali.”