Nghiên cứu về tác hại do bức xạ ion hóa cao đối với vật liệu hữu cơ chủ yếu bị giới hạn ở polyme và tinh thể hữu cơ đơn tinh thể. Nhu cầu công nghệ yêu cầu tạo ra các hệ thống hữu cơ có thể điều chỉnh với độ ổn định trong môi trường bức xạ ion hóa cao để có các vật liệu mới có tính chất hóa học và vật lý kiểm soát được. Tinh thể đồng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực này do các liên kết và tương tác phân tử có thể dẫn đến các tính chất vật liệu mới. Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa rõ liệu các tinh thể đồng tiếp xúc với bức xạ có duy trì được độ kết tinh, độ ổn định và các tính chất vật lý hay không.
Vật liệu thể hiện khả năng chống lại bức xạ ion hóa bằng cách bảo toàn tính toàn vẹn của cấu trúc và các tính chất vật lý và hóa học của chúng rất quan trọng đối với sự phát triển của các tế bào năng lượng mặt trời, máy dò bức xạ, pháp y hạt nhân, vật liệu hàng không vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân và y học phóng xạ. Trong khoa học vũ trụ, các tia vũ trụ cung cấp bức xạ năng lượng cao cho các vật liệu có thể dẫn đến sự suy thoái đáng kể về cấu trúc của các vật liệu này. Thiệt hại do bức xạ cũng là mối quan tâm đối với việc lưu trữ và xử lý chất thải hạt nhân do sự hiện diện của các chất giải phóng bức xạ ion hóa (α, β và γ) sẽ làm suy thoái các vật liệu liên quan đến việc ngăn chặn lâu dài. Trong y học phóng xạ, bức xạ γ được sử dụng để chẩn đoán và điều trị ung thư; do đó, các vật liệu mới cho cả mục đích phát hiện (phát xạ) và phân phối đều quan trọng đối với sự tiến bộ của lĩnh vực này. Bức xạ cũng có thể gây ra thiệt hại thứ cấp cho các thiết bị điện tử khi lớp phủ bảo vệ không đủ khả năng chịu được. Do đó, những tiến bộ trong vật liệu có thể chịu được trường bức xạ cao là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực và dựa trên sự hiểu biết cơ bản về cách bức xạ tương tác với các vật liệu này để thiết kế hợp lý các vật liệu ổn định với mức độ tiếp xúc lớn.
Các công trình nghiên cứu trước đây về chất rắn thường tập trung vào các vật liệu trạng thái rắn vô cơ và polyme tiếp xúc với bức xạ ion hóa cao. Các hợp chất vô cơ được sử dụng làm vật liệu quang học cho lớp phủ trên pin mặt trời và vệ tinh (ví dụ: oxit kim loại, kính) nhưng có thể trải qua những thay đổi vật lý khi tiếp xúc với bức xạ, chẳng hạn như hình thành các tâm F dẫn đến tối dần và giảm khả năng truyền ánh sáng. Các vật liệu vô cơ có xu hướng chống bức xạ tốt hơn các hợp chất hữu cơ nhưng cũng đắt hơn đối với các ứng dụng thực tế và có xu hướng giòn hơn và nhạy cảm hơn với các điều kiện môi trường. Cả nhựa và vật liệu tinh thể hữu cơ (ví dụ: stilbene, anthracene) đều là những vật liệu được sử dụng rộng rãi, nhưng nhựa hoạt động tốt hơn dạng tinh thể. Đối với các tinh thể hữu cơ, sự dịch chuyển ở rìa dải được quan sát thấy ở liều thấp và hư hỏng nặng được quan sát thấy ở liều 21 kGy. Tương tự như vậy, hầu hết các polyme hữu cơ có thể chịu được liều thấp (10–100 Gy) hoặc trung bình (1–10 kGy) mà không có thay đổi đáng kể về tính chất cơ học (độ bền kéo, nhiệt độ chuyển thủy tinh) hoặc hành vi hấp phụ bức xạ. Ngay cả với sự ổn định của polyme hữu cơ ở liều vừa phải, vẫn còn lo ngại về độ bền tổng thể của chúng khi tiếp xúc với chiếu xạ liên tục, đặc biệt là khi có khí oxy. Thiệt hại do bức xạ gây ra bên trong vật liệu polyme có liên quan đến sự hình thành các loài gốc gây ra phản ứng cắt chuỗi và liên kết chéo làm thay đổi các tính chất tổng thể của vật liệu. Tuy nhiên, nghiên cứu của Quaranta trên vật liệu polyme hai thành phần đã chứng minh khả năng chống bức xạ được tăng cường, cho thấy có thể đạt được độ ổn định và khả năng điều chỉnh bổ sung trong các hệ nhị phân.
Các tinh thể đồng có điểm tương đồng với các vật liệu tinh thể hữu cơ, nhưng sự hiện diện của nhiều phân tử trong mạng mở rộng cho phép kiểm soát thành phần và chiều trong trạng thái rắn, với tiềm năng cung cấp khả năng điều chỉnh và khả năng chống bức xạ tương tự như các hệ thống polyme hai thành phần. Các vật liệu đa thành phần này có thể được thiết kế để sở hữu các lực không cộng hóa trị chính xác như liên kết hydro và/hoặc halogen để kiểm soát chiều, đóng gói và tương tác có thể dẫn đến các tính chất hóa học và vật lý độc đáo. (32−36) Ngoài ra, các tinh thể đồng có thể được cho là ít tốn kém hơn, ít độc hại hơn, thường phong phú hơn và linh hoạt hơn về mặt cơ học so với các vật liệu vô cơ. Trong khi các vật liệu tinh thể hữu cơ một thành phần được sử dụng rộng rãi làm vật liệu phát quang, thì độ ổn định tương đối của các tinh thể đồng thành phần đối với bức xạ ion hóa vẫn chưa được đánh giá trong các tài liệu đã báo cáo trước đây. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng các tinh thể đồng sẽ có khả năng chống bức xạ tốt hơn các hệ thống một thành phần do các tương tác giữa các phân tử được thiết kế hợp lý bên trong các vật liệu có thể cải thiện độ ổn định tổng thể của mạng.
Các nhà khoa học mới đây đã công bố kết quả nghiên cứu về các tác động của bức xạ γ lên vật liệu hữu cơ đơn tinh thể và đa tinh thể. Sau khi chiếu xạ với liều 11 kGy, cả vật liệu đơn tinh thể (trans-stilbene, trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethylene (4,4′-bpe), 1,n-diiodotetrafluorobenzene (1,n-C6I2F4), 1,n-dibromotetrafluorobenzene (1,n-C6Br2F4), 1,n-dihydroxybenzene (1,n-C6H6O2)) và vật liệu đa tinh thể (4,4′-bpe)·(1,n-C6I2F4), (4,4′-bpe)·(1,n-C6Br2F4), và (4,4′-bpe)·(1,n-C6H6O2) đều được phân tích và so sánh với dạng đã chiếu xạ trước của chúng. Tác động do bức xạ được đánh giá thông qua nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và quang phổ Raman, phép đo nhiệt lượng quét vi sai và phép đo huỳnh quang trạng thái rắn. Phân tích nhiễu xạ tia X đơn tinh thể chỉ ra những thay đổi tối thiểu sau khi chiếu xạ, nhưng những thay đổi về độ kết tinh bổ sung đối với vật liệu dạng khối được thấy thông qua nhiễu xạ tia X dạng bột. Nhìn chung, các dạng đồng tinh thể có 4,4′-bpe ổn định hơn các hệ thống thành phần đơn và liên quan đến độ ổn định tương đối của từng dạng đối với bức xạ γ. Tín hiệu huỳnh quang được duy trì đối với trans-stilbene và 4,4′-bpe, nhưng sự dập tắt tín hiệu được thấy đối với các dạng đồng tinh thể ở các mức độ khác nhau. Ba thành phần đơn lẻ, 1,2-diiodotetrafluorobenzene (1,2-C6I2F4), 1,4-diiodotetrafluorobenzene (1,4-C6I2F4) và 1,4-dibromotetrafluorobenzene (1,4-C6Br2F4) cũng trải qua quá trình thăng hoa trong vòng 01 giờ sau khi tiếp xúc với không khí có chiếu xạ.
Nhìn chung, nghiên cứu hỗ trợ cho giả thuyết rằng các tinh thể đồng có khả năng giảm thiểu các khuyết tật về cấu trúc khi tiếp xúc với bức xạ γ, một trong các đồng dạng (4,4′bpe) cho thấy khả năng chống bức xạ. Các nghiên cứu về huỳnh quang trạng thái rắn cũng chứng minh rằng hành vi huỳnh quang thay đổi khi tiếp xúc với bức xạ gamma và có thể phụ thuộc vào các đặc tính của coformer, đóng gói tinh thể và tác động của các khuyết tật mạng hoặc các electron tự do trong vật liệu. Ngoài ra, các thành phần đơn perfluorinated 1,2-C6I2F4, 1,4-C6I2F4 và 1,4-C6Br2F4 được biết là thăng hoa trong thời gian dài, đã tăng cường tính chất vật lý thông qua tiếp xúc với bức xạ. Bằng chứng được cung cấp cho thấy quá trình thăng hoa diễn ra nhanh hơn do các tạp chất được hấp phụ vào mẫu ban đầu và chúng được loại bỏ thông qua bức xạ. Nghiên cứu này chứng minh rõ ràng rằng các vật liệu đồng tinh thể hữu cơ có thể là các lựa chọn thay thế cạnh tranh cho các chất phát quang hữu cơ hiện tại và mang lại cơ hội mới cho khả năng điều chỉnh thông qua thiết kế hợp lý. Tuy nhiên, cần phải xem xét phù hợp các thành phần được hình thành thành một đồng tinh thể như các tương tác giữa các phân tử hiện có và tính đa chiều cho các ứng dụng chống bức xạ. Việc tăng lượng chất thơm trong vật liệu đa thành phần sẽ làm tăng cả khả năng chống bức xạ và tín hiệu huỳnh quang, nhưng ảnh hưởng của sự xếp chồng π và liên kết hydro trong mạng tinh thể phải được đánh giá thêm để hiểu tác động của nó đối với việc tăng cường hoặc dập tắt tín hiệu.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
