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Mineral zeigt Radioaktivität an

Farbwechsel von Hackmanit könnte neuartige Dosimeter ermöglichen

Hackmanit
Das Mineral Hackmanit leuchtet nach Bestrahlung mit UV- oder Röntgenlicht violett. Aber auch auf radioaktive Strahlung reagiert es.© Mika Lastusaari/ University of Turku

Verblüffender Effekt: Wenn das weißliche Mineral Hackmanit radioaktiver Strahlung ausgesetzt wird, ändert es seine Farbe – es wird rosa-violett, wie ein Experiment enthüllt. Je stärker die Belastung mit Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ist, desto intensiver wird die Färbung. Damit könnte sich das Hackmanit als Dosimeter-Material eignen, wie die Forscher berichten. Das Mineral „merkt“ sich sogar vergangene Strahlenexpositionen, weil diese winzige Defekte in seiner Kristallstruktur hinterlassen.

Das Silikat-Mineral Hackmanit erscheint bei Tageslicht meist weißlich und ist auf den Blick eher unauffällig. Doch das ändert sich, wenn man dieses Mineral UV-Strahlung oder Röntgenstrahlen aussetzt. Dann beginnt das Hackmanit im Dunklen zu leuchten – es zeigt eine starke Lumineszenz. Parallel dazu ändert sich auch die Farbe des Minerals: Es färbt sich intensiv rot-violett. Unter Röntgenbestrahlung ist diese reversible Verfärbung umso intensiver, je stärker die Strahlung ist.

Farbwechsel
Farbwechsel verschiedener Hackmanit-Varianten in Abhängigkeit von der Entfernung zu einer radioaktiven Strahlungsquelle. © University of Turku

Bei radioaktiver Bestrahlung rosa-violett

Doch das ist nicht alles, wie nun Sami Vuori von der Universität Turku und seine Kollegen herausgefunden haben. Sie hatten untersucht, wie Hackmanit auf verschiedene Arten der radioaktiven Strahlung reagiert. Dafür platzierten sie Mineralproben in unterschiedlichen Abständen von standardisierten Emittern von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. „Anschließend wurden die Reflexionsspektren der Proben analysiert, um die Farbtiefe zu ermitteln“, erklärt Vuori.

Es zeigte sich, dass das Mineral auch auf radioaktive Strahlung mit einem Farbwechsel reagiert. „Die Farbveränderung durch die Radioaktivität war der durch UV- und Röntgenstrahlung sehr ähnlich, aber etwas langsamer“, berichtet Vuori. Ähnlich wie beim Röntgenlicht färbte sich das Hackmanit dabei umso intensiver rötlich-violett, je stärker die Strahlung war. Und auch dieser radioaktiv bedingte Farbwechsel ist reversibel: Endet die Strahlenbelastung, entfärbt sich das Mineral langsam wieder.

Für neuartige Film-Dosimeter geeignet

„Damit demonstrieren wir zum ersten Mal, dass Hackmanit radiochromisch reagiert, wenn es Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ausgesetzt wird“, so das Team. Durch seine reversible, dosisabhängige Färbung könnte sich das Mineral künftig als umweltfreundlicher Indikator in Dosimetern eignen. Denn bisherige Dosimeter-Materialien bestehen meist aus radiochromen Substanzen, die entweder giftig oder nicht wiederverwendbar sind, wie Vuori und seine Kollegen erklären.

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Hackmanit ist dagegen ungiftig und könnte wegen seiner reversiblen Färbung mehrfach verwendet werden – beispielsweise für Film-Dosimeter in der Medizin. Wie die Forschenden feststellten, unterscheidet sich die spektroskopische Signatur des Minerals nach der radioaktiven Bestrahlung von dem Spektrum, das UV- oder Röntgenstrahlung im Mineral auslöst. Dadurch ist auch eine Verwechslung der Farbwechsel-Ursache ausgeschlossen.

Gedächtnis für frühere Belastung

Das Hackmanit hat aber noch eine weiter Eigenheit: Obwohl es nach Ende der Bestrahlung wieder seine ursprüngliche Färbung annimmt, besitzt das Mineral eine Art Gedächtnis für vergangene radioaktive Kontakte. In seinem Kristallgitter hinterlässt die energiereiche radioaktive Strahlung winzige Defekte, die über die spektroskopischen Untersuchungen nachweisbar sind.

„Diese Gedächtnis-Spur bleibt auch dann erhalten, wenn sich das Hackmanit wieder komplett entfärbt hat“, erklärt Seniorautor Mika Lastusaari von der Universität Turku. „Hackmanit ist damit ein Gedächtnis-Material, das die einzigartige Fähigkeit hat, frühere Gammastrahlen-Expositionen zu speichern.“ Eine solche Fähigkeit, vergangenen radioaktive Belastungen zu speichern, wurde nach Angaben der Forschenden bisher noch bei keinem anderen Material nachgewiesen. (Materials Horizons, 2022; doi: 10.1039/D2MH00593J)

Quelle: University of Turku

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