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Mineral als Röntgensensor

Farbwechselndes Hackmanit könnte bunte Röntgenbilder ermöglichen

Hackmanit
Das Mineral Hackmanit fluoresziert nach Bestrahlung mit UV-Licht im Dunkeln violett. Aber auch auf Röntgenstrahlung reagiert dieses Material.© Mika Lastusaari

Dieses bläulich leuchtende Gebilde ist ein Mineral mit besonderen Fähigkeiten: Wenn dieses Hackmanit UV- oder Röntgenstrahlung ausgesetzt ist, beginnt es nicht nur anhaltend zu leuchten, es wechselt auch seine Farbe. Das normalerweise weißliche Material erstrahlt nun rosa-bläulich. Weil die Intensität der Farbe von der Strahlungsstärke abhängt, könnte das Mineral neuartige Methoden der farbigen Röntgenbildgebung ermöglichen.

Viele Minerale besitzen die Fähigkeit zur Lumineszenz: Werden sie von Licht angestrahlt oder chemisch angeregt, regt dies Atome in ihrem Kristallgitter an und sie beginnen zu leuchten. Im Dunkeln erstrahlen diese Materialien dann in geisterhaftem Grün, Rot, Blau oder Weiß. Diese Form des Leuchtens nach Anregung kommt bei Mineralien, aber auch Lebewesen häufig vor und hat für Technik und Wissenschaft große Bedeutung. Forscher suchen daher nach Materialien, die möglichst lange, hell oder auch spezifisch leuchten.

Farbwechsel bei Bestrahlung

Ein ganz besonderer Vertreter leuchtender Minerale ist das Hackmanit. Schon länger ist diese Silikatvariante für ihre Tenebreszenz bekannt: Wird das Mineral UV-Strahlung ausgesetzt, wechselt es die Farbe. Im Hellen erscheint Hackmanit dadurch weiß, im Dunkeln leuchtet es dagegen rosa-violett. Dieser mit Lumineszenz verknüpfte Farbwechsel ist reversibel und lässt sich beliebig oft wiederholen – das macht den Effekt attraktiv für die praktische Anwendung in Beschichtungen, Linsen, Filtern oder auch UV-Detektoren.

Doch das Hackmanit reagiert nicht nur auf UV-Strahlung, sondern zeigt die Tenebreszenz auch bei Röntgenbestrahlung. Wie jetzt Forscher um Sami Vuori von der Universität Turku herausgefunden haben, ist diese Photoreaktion sogar noch ausgeprägter und abgestufter als bei ultraviolettem Licht.

Reaktion auch auf Röntgenstrahlung

Während der Farbumschlag bei UV-Bestrahlung schnell gesättigt ist und sich dann nicht mehr verändert, ist dies im Röntgenlicht anders: Das Hackmanit ändert seine Farbe bei Röntgenstrahlung graduell: Je stärker die Strahlung, desto intensiver seine Farbe. „Das steht in Kontrast zu dem, was bisher über seine Lumineszenz bekannt war und ist daher unerwartet“, berichten die Wissenschaftler.

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Ein möglicher Grund dafür könnte sein, dass der Mechanismus hinter dem röntgeninduzieren Leuchten ein anderer ist als bei der UV-Bestrahlung. „Wir haben festgestellt, dass die Röntgenstrahlung bei den Atomen des Minerals die Elektronen der inneren Schale anregen“, erklärt Vuori. „Unter UV-Licht nehmen nur die am lockersten gebundenen Außenelektronen an der farbigen Lumineszenz teil.“

Farbige Röntgenbildgebung möglich

Die graduelle Reaktion auf Röntgenstrahlung ermöglicht es, das Hackmanit als eine Art Röntgendosimeter zu nutzen oder sogar für die Erzeugung farbiger Röntgenbilder. In einem ersten Test erstellten die Forscher mit einer Fotoplatt aus Hackmanit das Röntgenbild einer toten Ameise. „Das ist das erste mal, dass die Tenebreszenz von Hackmanit zur Röntgenbildgebung verwendet wurde“, so das Team.

Allerdings: Weil für solche farbigen Röntgenbilder relativ hohe Röntgendosen nötig sind, eignet sich diese Methode nicht zur medizinischen Bildgebung. Sie könnte aber in der Materialforschung oder Industrie eingesetzt werden – beispielsweise zur Überprüfung von Schweißnähten oder zur Röntgenradiografie, wie Vuori und seine Kollegen erklären. Auch für Dosimeter bei höherer Röntgenbelastung wäre es geeignet. (Advanced Optical Materials, 2021; doi: 10.1002/adom.202100762)

Quelle: University of Turku

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