Thiết kế vật liệu che chắn chống lại bức xạ ion hóa mà vẫn thể hiện các đặc tính đa chức năng vẫn còn là thách thức đối với khoa học vật liệu hiện nay. Mới đây, lần đầu tiên, các nhà khoa học công bố kết quả nghiên cứu nano và microcomposite sắt gốc parafin có thể đúc thành khuôn che chắn bức xạ γ và X. Khả năng đúc khuôn đạt được nhờ tính dẻo do nhiệt độ từ tay người tạo ra, cho phép thu được hình dạng cụ thể vật liệu composite ở nhiệt độ phòng.
Thiết kế lá chắn bức xạ ion hóa là một trong những yêu cầu chính khi làm việc với các nguồn bức xạ, từ lĩnh vực y tế (chụp X-quang, chẩn đoán hình ảnh), lò phản ứng hạt nhân, các trung tâm nghiên cứu và phát triển và phòng thí nghiệm vật lý bức xạ. Việc lựa chọn lá chắn thích hợp cho một nguồn bức xạ nhất định phụ thuộc vào loại bức xạ, tức là năng lượng phát ra, sao cho các thông số cơ bản như độ dày, hệ số suy giảm tuyến tính/khối lượng, tiết diện phản ứng và hệ số suy giảm một nửa/mười lần của lá chắn đã chọn đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ bức xạ. Thu hẹp đối tượng thành bức xạ γ và tia X, các giải pháp truyền thống cung cấp các lá chắn làm bằng các nguyên tố kim loại có số nguyên tử cao, chẳng hạn như chì, sắt hoặc bismuth. Các vật liệu che chắn được sản xuất, mặc dù có hiệu quả trong việc làm suy giảm bức xạ, nhưng không phải là không có nhược điểm, bao gồm độc tính, trọng lượng nặng, nứt, không thực tế, khó tái chế và không dễ tiếp cận hoặc sản xuất theo hình dạng mong muốn. Với suy nghĩ này, một số nỗ lực đã được thực hiện để cải thiện các giải pháp thông thường sao cho ngoài việc giảm liều lượng xuống giá trị tối đa cho phép, các tấm chắn được sản xuất sẽ có các đặc tính lý hóa mong muốn khác; do đó, vật liệu nano và vi vật liệu composite được xem xét, nghiên cứu và đánh giá.
Thuật ngữ composite hiểu là vật liệu được tạo ra với ít nhất hai thành phần phân bố đều trên toàn bộ thể tích của ma trận, có các tính chất vật lý là kết quả của các thành phần riêng lẻ dẫn đến các chức năng hiệp đồng. Khái niệm về nanocomposite không chỉ phù hợp với định nghĩa đã thông qua mà còn mở rộng định nghĩa này bao gồm nhiều hệ thống được tạo thành từ các thành phần khác nhau (hữu cơ, vô cơ, vô định hình, v.v.) được trộn với các chất bổ sung ở quy mô nanomet. Trong công nghệ nano dành riêng cho bảo vệ bức xạ, có thể thấy rằng việc triển khai các nguyên tố nặng có kích thước nano và micromet (bitmut, vonfram và chì) làm thành phần chính đang ngày càng phổ biến. Không thể phủ nhận rằng sắt là kim loại chuyển tiếp phổ biến nhất trên Trái đất. Nó tồn tại dưới dạng kim loại sáng, màu bạc trải qua các phản ứng thụ động hóa trong dung môi hữu cơ: axit nitric đậm đặc (HNO3) và axit sunfuric đậm đặc (H2SO4). Do tính chất lý hóa của nó, sắt được tìm thấy trong nhóm các kim loại sử dụng nhiều nhất trong các ngành công nghiệp xây dựng, hàng không, năng lượng và nhiên liệu. Nó cũng được sử dụng để bảo vệ chống lại bức xạ ion hóa. Sắt trong thế kỷ trước được ứng dụng làm tấm chắn lò phản ứng để chống lại tia neutron và tia γ như ở trong lò phản ứng YAYOI Nhật Bản. Sử dụng phương pháp đúc tiên tiến và xử lý nhiệt cơ học, sắt được nghiên cứu như một pha ma trận, với hai loại bột nano yttri oxit (Y2O3) thêm vào cho các ứng dụng lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao và hợp kim gốc sắt có hàm lượng crom cao, như giải pháp thay thế cho thép không gỉ austenit, cũng cho ứng dụng lò phản ứng hạt nhân tiên tiến.
Theo khái niệm của Richard Feynman (“There’s Plenty of Room at the Bottom”, bài giảng tại Hội Vật lý Hoa Kỳ tại Caltech, 1959), các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu về tính chất của hạt nano sắt. Tuy nhiên, trong lĩnh vực vật liệu nano và vi mô tổ hợp, sự hiện diện của nguyên tố này còn khá mới mẻ. Sathish và cộng sự đã đề xuất một vật liệu nano được tổng hợp qua quá trình đốt cháy hỗn hợp gồm Fe(NO₃)₂·9H₂O, Ba(NO₃)₂, Ni(NO₃)₂·6H₂O (làm chất oxy hóa hoặc tiền chất kim loại) và urê (CH₄N₂O) làm nhiên liệu. Tính chất chắn bức xạ (tia X và γ) được xác định cả thực nghiệm (sử dụng nguồn: 137Cs, 60Co, 22Na, 133Ba) và lý thuyết bằng phần mềm WinXCom (năng lượng 1 keV đến 100 GeV) với các độ dày khác nhau. Hệ số suy giảm tuyến tính đo được dao động từ 2.16 ± 0.11 (Ba-56, 0.081 MeV) đến 0.25 ± 0.01 (Co-60, 1.332 MeV), cho thấy khả năng chắn bức xạ giảm khi năng lượng tăng. Ngoài ra, các kết quả trên 356 keV giữa thực nghiệm và lý thuyết khá tương đồng. El-Khatib và cộng sự chế tạo vữa từ xi măng, đá cẩm thạch và xỉ sắt (dạng nano và vi mô, là phế thải công nghiệp) để khảo sát khả năng chắn bức xạ phụ thuộc vào kích thước hạt sắt. Kết quả cho thấy cả dạng nano và vi mô đều cải thiện khả năng chắn tia, với dạng nano hiệu quả hơn. Al-Rajhi cũng nghiên cứu xỉ sắt dạng bột nano (ISNP), xác nhận sự giảm hệ số suy giảm khi năng lượng photon tăng và cho thấy giá trị này vẫn cao hơn bê tông truyền thống.
Một nghiên cứu khác sử dụng vật liệu tổ hợp từ nhựa polyethylene mật độ cao (HDPE) pha tạp với oxit sắt (α-Fe₂O₃) và kim loại nhôm (Al) với các tỷ lệ khác nhau (ví dụ: 60% HDPE + 40% Fe₂O₃…). Kết quả cho thấy các chất pha tạp này giúp cải thiện đáng kể khả năng chắn tia ở mức năng lượng thấp (<0.1 MeV); tuy nhiên, hiệu quả giảm khi năng lượng tăng lên (ví dụ: ở 0.662 MeV, μ/ρ dao động từ 0.111 đến 0.099 cm²/g, và ở 1.33 MeV giảm xuống khoảng 0.077 đến 0.075 cm²/g). Một vật liệu tiềm năng khác là màng polyvinyl alcohol (PVA) pha với hạt nano magnetite (Fe₃O₄), có khả năng chắn tia γ từ nguồn 60Co, 137Cs và 22Na. Tại 0.662 MeV, khả năng chắn của PVA-nanocomposite đạt khoảng 59% so với chì.
Về khả năng tạo hình, paraffin (một hỗn hợp alkane rắn từ chưng cất dầu thô) được đề xuất như một vật liệu chắn tia dễ gia công và cũng có khả năng bảo vệ khỏi tia ion hóa, ngoài ứng dụng truyền thống trong chắn neutron. Nó không độc, có tính trơ hóa học, được dùng trong nhiều ngành (mỹ phẩm, giấy, nến, điện/làm mát…). Paraffin cũng có thể kết hợp trong các vi nang lõi/vỏ để làm vật liệu chắn tia. Đối với che chắn tia X và γ, các vật liệu tổ hợp từ bismuth, tungsten cũng được nghiên cứu vì hiệu quả cao, tuy nhiên sắt vẫn là lựa chọn hấp dẫn do mật độ thấp hơn, không độc và đã tồn tại tự nhiên trong cơ thể (dưới dạng ferritin, bilirubin…). Cho đến nay, chưa có tài liệu nào đề cập đến tổ hợp nano- hoặc vi mô sắt–paraffin, nơi paraffin đóng vai trò ma trận trơ. Kết quả nghiên cứu đưa ra việc chế tạo và đánh giá khả năng chắn tia của vật liệu tổ hợp sắt–paraffin, dễ gia công (chỉ cần nhiệt độ cơ thể để tạo hình), có hiệu quả chắn tia cao. Đặc biệt, dạng tổ hợp vi mô sắt–paraffin được cho là triển vọng nhất nhờ chi phí thấp, dễ sản xuất và có khả năng tái chế linh hoạt (có thể tái tạo hình và thu hồi thành phần dễ dàng).
Các vật liệu composite được sản xuất chứa các hạt sắt có nhiều kích thước khác nhau, từ 22 nm đến 63 μm. Các vật liệu mục tiêu được quan sát bằng XRD, NMR, Raman, TGA, SEM và EDX. Trong trường hợp microcomposite, các đặc tính che chắn được phát triển ở hai nồng độ: 10 và 50 wt %. Kết quả chỉ ra rằng kích thước hạt sắt có tác động không đáng kể đến các đặc tính che chắn của nano và microcomposite. Mặt khác, hàm lượng hạt sắt cao hơn ảnh hưởng đáng kể đến khả năng suy giảm, thậm chí còn vượt trội hơn nhôm trong phạm vi tia X: ở điện áp anot 70 kV, độ suy giảm một nửa lần lượt là 6,689, 1,882 và 0,462 cm đối với nhôm, parafin + 10 wt % Fe 3,5–6,5 μm và parafin + 50 wt % Fe 3,5–6,5 μm vi hợp chất.
Kết quả nghiên cứu đã hỗ trợ quy trình sản xuất nano và microcomposite gốc parafin chứa các hạt sắt làm vật liệu che chắn trong nhiều ứng dụng khoa học, công nghiệp và y tế. Các mẫu sản xuất ổn định và quan trọng hơn là dễ dàng định hình ở nhiệt độ phòng, điều này tạo nên sự khác biệt đáng kể so với các vật liệu được đề xuất trước đó. Cũng đáng đề cập đến sự dễ dàng và đơn giản trong việc thu hồi các thành phần riêng lẻ từ nano và microcomposite để tái sử dụng. Làm nóng vật liệu composite đến nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy của parafin sẽ chuyển parafin từ dạng rắn sang dạng lỏng, đồng thời sẽ cho phép lắng đọng các hạt nano sắt. Là một lá chắn ít độc hại hơn và thân thiện với môi trường. Dữ liệu thu được cho thấy kích thước của các hạt sắt được sử dụng trong vật liệu composite có tác động không đáng kể đến các đặc tính che chắn và nanocomposite bảo vệ chống lại bức xạ γ tương tự như microcomposite, điều này chắc chắn làm giảm chi phí sản xuất các vật liệu như vậy. Quy trình được phát triển toàn diện này không tốn kém, có thể tái tạo và có thể mở rộng lên quy mô công nghiệp.
Những lợi ích quan trọng nhất khi sử dụng vật liệu được trình bày bao gồm: (a) dễ dàng tạo hình bất kỳ hình dạng nào của lớp phủ: hình dạng của vật liệu tổng hợp có thể thay đổi bằng tay không và được sản xuất theo bất kỳ hình dạng cụ thể nào, điều này đặc biệt quan trọng, ví dụ, trong lĩnh vực y tế để bảo vệ cá nhân bệnh nhân và nhân viên, (b) tái chế đơn giản và thân thiện với môi trường: lớp phủ có thể được xử lý/kết hợp với các vật liệu trong thùng chứa bằng tay không và mặc dù có khả năng mua thương mại, các hạt nano sắt có thể được lấy từ chất thải hoặc tổng hợp bằng hóa học xanh, (c) không phụ thuộc vào thiết bị chuyên dụng: quy trình công nghệ tương đối đơn giản và có sẵn rộng rãi, không đòi hỏi nhiều năng lượng. Trên hết, các nghiên cứu về vật liệu tổng hợp nano và vi mô mới dành riêng cho bảo vệ bức xạ là một hướng khoa học đầy hứa hẹn. Khả năng định hình của nano và microcomposite có thể được sử dụng như tấm chắn cá nhân hóa, ví dụ, dưới dạng găng tay hoặc tạp dề cho nhân viên và bệnh nhân, ví dụ, tấm che tuyến giáp trong trường hợp chụp nhũ ảnh hoặc tuyến sinh dục khi chụp X-quang vú, v.v.
Từ khóa: che chắn; bức xạ;
– CMD –
