Noticias

May 05, 2023

Optimización del blindaje contra la radiación gamma con cobalto

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8936 (2023) Citar este artículo

217 Accesos

2 Altmetric

Detalles de métricas

Se fabricaron nanocompuestos de titania dopados con cobalto para ser utilizados con fines de protección contra la radiación. La composición química de los compuestos se midió utilizando el espectrómetro de rayos X de dispersión de energía. Además, la estructura de los compuestos se evaluó con el difractómetro de rayos X y la morfología de los compuestos fabricados se presentó con el microscopio electrónico de barrido. Además, las propiedades de blindaje de rayos γ se estimaron utilizando la simulación de Monte Carlo entre 0,059 y 2,506 MeV. El coeficiente de atenuación lineal de los compuestos fabricados disminuyó por factores del 93 % para todas las muestras al aumentar la energía γ incidente entre 0,059 y 2,506 MeV. Además, la sustitución parcial de Ti4+ por Co3+ mejoró ligeramente el coeficiente de atenuación lineal de 0,607 a 0,630 cm−1 cuando el Co3+ aumentó de 0 a 3,7 % en peso. La mejora en el coeficiente de atenuación lineal provoca una mejora en otras propiedades de protección contra la radiación.

Las radiaciones ionizantes de alta energía, como los rayos X, se utilizan en aplicaciones como la radioterapia para eliminar células cancerosas y para obtener imágenes del cuerpo. Esta forma de radiación electromagnética también se utiliza en el campo de la producción de energía, la agricultura y muchos otros, y cada año se crean nuevos usos para esta tecnología1,2,3. Debido a que la radiación ionizante tiene una energía tan alta, estos fotones también pueden inducir efectos secundarios negativos en el cuerpo humano, como envenenamiento agudo por radiación, cáncer y muerte. Una técnica común para reducir estos efectos es usar un escudo de radiación que absorba los fotones entrantes y reduzca la cantidad de radiación a un nivel seguro4,5,6. Los nanomateriales superan a los escudos de radiación convencionales debido a su pequeño tamaño de partícula, lo que da como resultado una dispersión más uniforme de los óxidos de metales pesados ​​(HMO) de relleno que se introducen en el escudo. Una mayor dispersión significa que la radiación entrante tiene una mayor probabilidad de ser absorbida o desviada por los átomos dentro del material, lo que lleva a una mayor atenuación. Las nanopartículas se utilizan cada vez más en la construcción de materiales de construcción de cemento, como pasta de cemento, morteros y hormigones, que mejoran las propiedades de los materiales cuando se introducen con nano HMO7,8,9,10,11,12.

Las nanoestructuras de óxido de titanio se utilizan a menudo como agente antimicrobiano para la industria del envasado de alimentos o como fotocatalizadores para la degradación de compuestos orgánicos porque estas nanoestructuras son fáciles de procesar, tienen un bajo costo y su capacidad para inducir estas reacciones se puede ajustar fácilmente sin sacrificar la estabilidad térmica o química del material. Nano-TiO2 es químicamente estable, lo que permite su uso en materiales de cemento como relleno para mejorar las características químicas del material. El Ti también tiene una sección transversal de reacción de neutrones total mayor que el Ca y el Si en la mayoría de las regiones de energía, que se utilizan para fabricar cemento convencional. Esta característica conduce a que la pasta de cemento que contiene nano-TiO2 tenga una mejor capacidad de protección contra neutrones que la pasta de cemento simple13,14,15,16,17.

Además, el TiO2 en sí tiene un bajo costo, se puede encontrar en abundancia, no es tóxico y es químicamente inerte. Se ha utilizado ampliamente en la industria de recubrimientos, en la purificación de aguas residuales y en dispositivos de almacenamiento de energía. El TiO2 como semiconductor típico de tipo n tiene una concentración de portadores de solo 1017–1018 cm−3 y tiene un alto índice de refracción en longitudes de onda visibles. Pure TiO2 tiene tres polimorfos diferentes, cada uno con su energía de banda prohibida. Más específicamente, estos son rutilo (para 3,0 eV), anatasa (para 3,2 eV) y brookita (para ~ 3,2 eV). La banda prohibida de TiO2 se puede ajustar dopándola con varios iones o defectos, lo que activa el compuesto de TiO2 en el espectro de luz visible; El TiO2 puro es activo en la región ultravioleta. Al introducir óxidos de metales de transición y compuestos de metales nobles en TiO2, se crean fotocatalizadores de TiO2 de luz visible, que se pueden usar para eliminar los contaminantes del agua. Los óxidos de cobalto son uno de estos dopantes que están llamando la atención debido a su gran velocidad en la reducción fotocatalítica de dióxido de carbono (CO2) en luz visible y ultravioleta y células solares sensibilizadas por colorante para la producción de energía18,19.

Para comprender las capacidades de protección de ciertos materiales, los parámetros de protección contra la radiación deben calcularse y analizarse en una amplia gama de energías. Las simulaciones de Monte Carlo se utilizan para determinar estos valores, como los coeficientes de atenuación lineal, utilizando un conjunto específico de condiciones. Estas simulaciones se pueden usar para comprender las propiedades del material antes de determinar experimentalmente estos parámetros, para ahorrar tiempo y recursos, o junto con cálculos teóricos como XCOM para garantizar que los dos métodos coincidan entre sí. Después de obtener los valores iniciales, se pueden determinar parámetros adicionales para obtener una comprensión completa de las capacidades de protección contra la radiación del material20,21,22,23,24,25.

El concepto presentado en el presente estudio se basa en la planificación exacta de una estructura nanoparticular de dos dimensiones (2D) de óxidos de cobalto y óxidos de titanio unidos por láminas de carbono. La inclusión de cobalto contribuye a la estabilidad térmica, la resistencia a la corrosión y al desgaste, lo que lo hace, junto con el titanio, útil en muchas industrias. Adicionalmente, los óxidos de cobalto destacan por su capacidad colorante. Las láminas de carbono bidimensionales aumentan el área superficial del nanomaterial preparado. Se ha inspeccionado la caracterización de los compuestos recién sintetizados y los particulares de protección contra rayos γ.

(I) Un tamaño y una concentración conocidos (0,4 mL–0,1 M) de cloruro de potasio hidratado, 98 mL de solución de etanol y 1,6 mL de (Ti4O28H12C) isopropóxido de titanio se han mezclado y agitado durante 5 h. A continuación, todo el contenido se trasladó a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón con una capacidad de 100 ml. A continuación, la temperatura se elevó a 170 °C durante 35 h. Después de eso, el autoclave se enfrió naturalmente a temperatura ambiente. El producto final se recogió a fondo y se empapó en etanol y se secó en el horno a 70 °C después de filtrar. Finalmente, los sólidos se transfirieron al horno para ser calcinados a una temperatura de 500 °C durante 4 h para producir NP de TiO2. (II) para producir un nanocompuesto de TiO2 dopado con Cobalto (Co-TiO2), se agregan 0,9 g de acetato de cobalto a la solución mixta antes de transferirla al autoclave y luego seguir los mismos pasos anteriores. (III) El método para preparar TiO2 dopado con cobalto cargado sobre láminas de carbón (Co-TiO2/C) consiste en mezclar 0,5 g de nanocompuestos de Co-TiO2 producidos en el paso (ii) con 80 mL de una solución acuosa que contiene 0,02 g de glucosa. La mezcla se agitó durante 4 h, luego se colocó en el autoclave utilizado en los pasos anteriores y luego se calentó durante 30 h a 170 °C. Después de eso, deje que el autoclave se enfríe naturalmente al aire. Los sólidos se recogieron completamente y se agitaron bien en agua para lavarlos y se secaron en el horno a 70°C. Finalmente, los sólidos en polvo se han calcinado durante 4 h a 500 °C.

Utilizando un (difractómetro PANalytical X'Pert Pro, Países Bajos), se han obtenido patrones XRD. Para comprender la fase cristalográfica, una fuente de radiación monocromática de CuKa con una longitud de onda de (0,15406 nm) se ajustó a (45 kV) y (40 mA) a 25 °C. Los difractogramas se capturaron con un tamaño de paso de (0,013) en un rango de exploración de 20°–80°. Para predestinar la morfología de los materiales de polvos sólidos fabricados y apreciar el análisis de elementos, se han utilizado un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDX) (JEOL JSM-6400—Jeol Ltd., Tokio, Japón) . El análisis TEM, que se realizó utilizando un microscopio electrónico de transmisión (Philips CM200, América) con un voltaje de aceleración de 200 kV, proporcionó información sobre la estructura morfológica del compuesto. La cristalinidad de varios componentes en el material compuesto producido se determinó mediante espectroscopía Raman con una excitación láser de 532 nm (GL Gem Raman™ PL532, Canadá).

Utilizando el código MCNP5, se simuló la capacidad de blindaje de rayos γ para los nanocompuestos de titania dopados con cobalto recién sintetizados en el ámbito de energía de rayos γ de (0,059–2,506 MeV). El código MCNP utilizó la base de datos nuclear ENDF/B.VI.8 y el conteo F4 para estimar el flujo medio por celda unitaria y la longitud de pista promedio (ATL) de los fotones gamma en los compuestos elegidos. Para estimar el ATL de fotones gamma en los materiales fabricados, un archivo de entrada contiene toda la información sobre los nanocompuestos fabricados, la fuente radiactiva, el detector y la cuenta, como se ilustra en la Fig. 1. La información requerida se introdujo en el archivo de entrada del MCNP a través de algunos definidos. tarjetas tales como celda, superficie, materiales, fuente y tarjetas de conteo. Después de ejecutar el proceso de simulación, se creó un nuevo archivo de salida y tiene un formato txt. El archivo de salida creado contiene toda la información necesaria sobre el ATL, el número de colisiones en la celda de material y el error relativo en el proceso de simulación. El error relativo registrado para todas las muestras osciló entre ± 3 %. La información detallada sobre la geometría creada y las dimensiones de los componentes de la geometría colimadores, muestra, detector y fuente se discutió en algunos trabajos anteriores26,27.

La geometría del MCNP como se ilustra en el archivo de entrada.

Usando algunas ecuaciones matemáticas, el ATL de MCNP simulado para los compuestos fabricados se transfirió a los coeficientes de atenuación lineal (µ) y de masa (µm, cm2/g). Luego, con base en el µ estimado, se evaluaron el espesor del valor medio (Δ0.5), el espesor equivalente del plomo (Δeq), el factor de transmisión (TF) y la eficiencia de protección radiológica (RPE) como se ilustra en las siguientes ecuaciones28.

\(N_{0}\), \(N_{t}\), yx son el número de fotones emitidos desde la fuente radiactiva, el número de fotones transmitidos a través del compuesto fabricado con un espesor definido (x, cm).

El espesor del compuesto fabricado que puede atenuar el 50% de los fotones γ emitidos define el Δ0.5 y se puede predecir a través de la ecuación. (3).

El patrón de difracción XRD (Fig. 2) se utilizó para ilustrar las composiciones de fase de los compuestos sintetizados. El patrón TiO2 XRD muestra todos los picos característicos de la anatasa tetragonal (JCPDS 9015929) que son los principales picos de difracción de la fase cristalina en valores 2θ de 25,77°, 37,72°, 47,92°, 53,9°, 55,02°, 62,57°, 68,4°, 70,3° , y 74,9° corresponden a (101), (004), (200), (105), (211), (204), (116), (220) y (215)29. Los resultados de XRD de TiO2 dopado con nanocompuestos de Co y C demuestran la falta de fases libres de cobalto, lo que implica que todo el cobalto es un fusible en cristalitos de anatasa. Los resultados de XRD muestran que hay una falta de picos de carbono evidentes, lo que indica que el carbono en el material compuesto tiene un bajo grado de cristalinidad. Sorprendentemente, los patrones de difracción de Co-TiO2 y Co-TiO2/C de las dos muestras se parecían a los del TiO2 virgen, con un cambio menor en la posición del pico. El ligero cambio en la posición del pico en el patrón XRD es el resultado de la modificación en la estructura a nivel local alrededor de Ti4+ como resultado de la sustitución de Co3+ y Co2+. Esto sugiere que el cobalto se disolvió dentro de la red. Otro cambio notable con la inclusión de cobalto es el cambio de color del TiO2. Todos los patrones XRD revelan que el tamaño promedio de las partículas nanocristalinas de TiO2 puro cambió cuando se agregó cobalto o cobalto/carbono. De acuerdo con la ecuación de Scherrer (Fig. 3)29, el tamaño promedio de los cristalitos de las muestras preparadas: TiO2 puro (nanopartículas de TiO2), TiO2 con dopaje simple (nanocompuesto de Co-TiO2) y TiO2 con dopaje doble (nanocompuesto de Co-TiO2/C) fue de 11,7 , 12,4 y 13,24 nm, respectivamente. El tamaño de cristal aumentado de las muestras enfatiza que el cobalto está reemplazando al titanio en la red de TiO2 (fase anatasa). Un examen del pico principal en la difracción XRD (101) en la Fig. 2 (recuadro) cuando se amplía, muestra un cambio significativo hacia valores más altos de 1 theta cuando se introducen cobalto y carbono como dopantes. Además, se encuentra que el tamaño promedio de los cristalitos del material de TiO2 doblemente dopado con C y Co (Co-TiO2/C) es mayor en comparación con el de TiO2 solo dopado con Co (Co-TiO2). Estos hallazgos sugieren que existe un efecto sinérgico entre el carbono y el cobalto cuando se combinan. Los resultados de XRD revelan que el tamaño promedio de los cristalitos de los dos materiales fabricados dopados con (Co) y (Co, C) son casi idénticos. Además, sus posiciones de los picos de difracción son similares, lo que implica que el dopaje con carbono tiene un impacto menor en la estructura cristalina30,31.

Patrón de difracción XRD para las muestras de nanocompuestos fabricados.

El tamaño del cristal de las muestras de nanocompuestos fabricados.

La figura 4 muestra el espectro Raman de tres muestras fabricadas en el rango de 50 a 2000 cm−1. Los picos que aparecían en 151,5, 391,5, 513 y 631,5 cm−1 se asignaron a los modos de TiO2 (fase cristalina anatasa), Eg, B1g, A1g y Eg, respectivamente32. Todos los picos muestran una disminución significativa en la intensidad después del dopaje con cobalto, junto con algún cambio en la posición del pico. Aunque estos hallazgos implican que la fase de anatasa no fue completamente alterada por el Co, también revelan una distorsión cristalina significativa de orden largo, lo que concuerda con los hallazgos de XRD. La sustitución de Ti4+ por Co3+ y la disparidad en sus cargas catiónicas podrían explicar esta distorsión. Además, el dopaje por Co y C también se correlacionó con la formación de vacantes en la cadena de oxígeno, lo que afecta significativamente la vibración del enlace entre Ti y O (Ti–O). Es importante señalar que el tamaño de la fase cristalina a nanoescala, que influye en la frecuencia del cambio provocado por el confinamiento de fonones, limita el cambio de posición del pico. El pico A1g muestra un claro cambio de ubicación y un aumento evidente de la intensidad. La modificación en el pico A1g indica la formación de más vacantes en la cadena de oxígeno, principalmente como consecuencia de la reacción con el carbono en la reacción hidrotermal. De acuerdo con el fuerte pico Raman a 689 cm−1, los modos Eg de la anatasa cambiaron como resultado de estar dopados con carbono y cobalto33. Incluso después de la calcinación del material que contiene carbono en el aire, se puede establecer la existencia de carbono al observar picos en 1300 cm−1 y 1850 cm−1 que se refieren a las bandas D y G, respectivamente. Dado que la relación de la intensidad de dos picos D y G (ID/IG) = 1,3, lo más probable es que el carbono tenga una forma amorfa34.

Espectro Raman de las muestras de nanocompuestos fabricados.

La figura 5a–c muestra SEM de nanopartículas de TiO2, TiO2 dopado con Co (Co-TiO2) y cuando se agrega carbono (Co-TiO2/C) después de la calcinación a 500 °C. Los resultados muestran que se forman grupos de nanopartículas en todas las muestras. Sorprendentemente, las dos muestras de TiO2 que fueron dopadas con (Co) y (Co, C) forman láminas 2D. Las nanopartículas de TiO2 sin dopar, por otro lado, tienden a formar formas más irregulares cuando se agrupan. Después de la adición de cobalto y carbono, la aparición de distintas nanoláminas indica una predilección por el desarrollo en direcciones particulares. Después de la adición de cobalto, lo más probable es que haya un aumento en la densidad de estado perpendicular a los ejes C; además, se produce una eliminación parcial de oxígeno debido a la presencia de carbono. Las láminas 2D solo se unen débilmente entre sí para crear un patrón en zigzag con poros, como se ve en la Fig. 5b,c. Las imágenes TEM (Fig. 5d-f) brindan información adicional sobre la morfología de los materiales fabricados. Según los hallazgos, cada uno de los tres tipos de materiales puestos a prueba está formado por nanopartículas que tienen lados paralelos y miden aproximadamente 23 nm de tamaño en promedio. En los bordes, las partículas comienzan a fusionarse después de agregar Co, que forma láminas de nanocapas 2D. Luego, cuando se agregó glucosa como fuente de carbono, los grupos y el tamaño promedio de partícula aumentaron sin ninguna distorsión en la fase anatasa. Los espectros EDX y el mapeo de elementos (Fig. 6) muestran TiO2 puro, la Fig. 7 indica la existencia del elemento (Co) en la muestra preparada dopada única (Co-TiO2), y la Fig. 8 indica la existencia de (Co, C ) elementos en la muestra preparada con doble dopaje (Co-TiO2/C). No hubo picos asociados con Co o C en los patrones XRD. Como resultado, los iones Co en el caso dopado simple (Co-TiO2) y los iones (Co, C) en el caso dopado dos veces (Co-TiO2/C) se distribuyen entre los cristalitos de dióxido de titanio (fase anatasa) en una forma uniforme. En la Tabla 1, se puede determinar la composición de análisis elemental de las nanopartículas de TiO2 después del dopaje con Co y C.

(a–c) Imagen SEM para nanopartículas de TiO2, TiO2 con dopaje simple (Co-TiO2) y TiO2 con dopaje doble (Co-TiO2/C), respectivamente. (d–f) Imagen TEM para nanopartículas de TiO2, TiO2 con dopaje simple (Co-TiO2) y TiO2 con dopaje doble (Co-TiO2/C), respectivamente.

Análisis elemental y mapeo (EDX) de las nanopartículas de TiO2 fabricadas.

Análisis elemental y mapeo (EDX) del nanocompuesto de Co-TiO2 fabricado.

Análisis elemental y mapeo (EDX) del nanocompuesto de Co-TiO2/C fabricado.

Los µm y µ son los principales parámetros importantes que describen la capacidad de las nanoláminas de titania dopadas con cobalto recién sintetizadas para resistir el transporte de fotones. Tanto µm como µ se evaluaron para los nanocompuestos fabricados (nanopartículas de TiO2 puro, nanocompuesto de TiO2 (Co-TiO2) dopado simple y nanocompuesto de TiO2 (Co-TiO2/C) dopado dos veces) utilizando el código MCNP, así como el programa de software XCOM. un amplio espectro de rayos γ (Eγ, MeV) que oscila entre 0,059 y 2,506 MeV. El comportamiento de µm se representa en la Fig. 9 en varias regiones de interacción de rayos γ [a] interacción fotoeléctrica, [b] dispersión de Compton e [c] interacciones de producción de pares. Según la Fig. 9a, los valores de µm disminuyeron en un 68 % para ambos compuestos fabricados (nanopartículas de TiO2 puro, nanocompuesto de TiO2 (Co-TiO2) dopado simple y nanocompuesto de TiO2 (Co-TiO2/C) dopado dos veces) con valores de Eγ crecientes. Los valores de µm simulados disminuyeron entre 0,567 y 0,183 cm2/g para las NP de TiO2, entre 0,576 y 0,184 cm2/g para el compuesto de Co-TiO2 y entre 0,569 y 0,183 cm2/g para el compuesto de Co-TiO2/C. La sección transversal fotoeléctrica varió inversamente con la tercera potencia de Eγ, lo que explica la gran disminución en los valores de µm. La figura 9b muestra una disminución en los valores de µm entre 0,0989 y 0,0618 cm2/g para las NP de TiO2, entre 0,0991 y 0,0619 cm2/g para el compuesto de Co-TiO2 y entre 0,0991 y 0,0619 cm2/g para Co-TiO2/C con elevando los valores de Eγ entre 0,344 y 0,964 MeV. El comportamiento de reducción presentado se estudió utilizando la sección transversal de la dispersión de Compton, que varía inversamente con Eγ. La figura 9c muestra una ligera reducción en los valores de µm asociados con cualquier aumento en los valores de Eγ dentro del intervalo de energía de 1,173 a 2,506 MeV. La ligera reducción ilustrada se debe al hecho de que la interacción CS sigue siendo la interacción predominante también entre 1,173 y 2,506 MeV. Por lo tanto, las interacciones PE y CS solo aparecieron durante los análisis de resultados, mientras que la interacción de producción de pares (PP) no se observó en el rango de energía estudiado. La aparición tardía de la interacción PP en el trabajo actual se atribuye a la densidad relativamente pequeña de los compuestos fabricados. La interacción PP en el trabajo actual comienza con una energía de rayos gamma superior a 3 MeV donde la alta variación en la energía gamma (en el intervalo PP) provoca un aumento muy leve en los valores de µm. Este comportamiento se atribuye a la proporcionalidad de la sección transversal PP con Log E.

El coeficiente de atenuación de masa para los materiales compuestos fabricados.

Los resultados simulados usando el MCNP fueron confirmados usando el programa libre teórico XCOM como se ilustra en la Fig. 9. Los resultados obtenidos mostraron una concordancia con los datos simulados con un rango entre ± 2%.

Además, la modificación del dióxido de titanio (NPs de TiO2) con nanopartículas de Co y C tiene un efecto ligeramente potenciador sobre los valores de µm. La Figura 10 describe la variación de los valores de µm frente a las concentraciones de nanopartículas de Ti en los compuestos fabricados. En el intervalo de baja energía (es decir, Eγ de 0,103 MeV), los valores de µm aumentaron ligeramente con la disminución de las nanopartículas de Ti en los compuestos fabricados, mientras que en las energías de fotones altas, los valores de µm aumentaron con el aumento de las nanopartículas de Ti. Este comportamiento se atribuye a las nanopartículas de Co donde la disminución de las concentraciones de nanopartículas de Ti estuvo acompañada por un aumento en la concentración de nanopartículas de Co. Por lo tanto, las nanopartículas de Co tienen un valor de µm mayor que el registrado para las nanopartículas de Ti a valores bajos de Eγ, mientras que los valores de µm para las nanopartículas de Co son comparables a los valores de µm de Ti a valores altos de Eγ. Por ejemplo, el µm para el Co es 1,343 cm2/g con un Eγ bajo de 0,059 MeV, mientras que para el elemento Ti es de 0,782 cm2/g con el mismo valor de Eγ. Además, el valor µm del Co es 0,496 cm2/ga Eγ de 1,408 MeV, que es comparable al valor µm del Ti de 0,495 cm2/g35. Luego, la disminución de la concentración de nanopartículas de Ti en los nanocompuestos fabricados se asoció con un aumento en los valores de µm a energías de fotón γ bajas, mientras que la tendencia mencionada se invirtió para la energía de fotones γ alta. Debido a las bajas concentraciones de nanopartículas de Co y C agregadas a las nanopartículas de TiO2, la variación en los valores de µm simulados es relativamente pequeña.

Variación del coeficiente de atenuación de masa (µm, cm2/g) frente a las concentraciones de Ti a 0,103, 0,662 y 1,250 MeV.

El Δeq describe el espesor de los compuestos sintetizados que es capaz de atenuar el mismo número de fotones que un espesor de 1 cm de plomo puro (Pb). La Figura 11 muestra el cambio en los valores de µ, Δ0,5 y Δeq frente a los valores de Eγ para los compuestos fabricados [a] nanopartículas de TiO2, [b] TiO2 dopado simple (Co-TiO2) y [c] TiO2 dopado doblemente (Co -TiO2/C) frente a. Las figuras 11 a, b y c muestran una disminución en los valores de µ y Δeq y aumentan los valores de Δ0,5. Los valores de µ evaluados disminuyeron entre 1,884 y 0,127 cm−1 (para NP de TiO2), entre 1,970 y 0,131 cm−1 (para nanocompuestos de Co-TiO2/C) y entre 1,955 y 0,132 cm−1 (para nanocompuestos de Co-TiO2/C). C nanocompuesto) con elevación de Eγ. La reducción de µ fue causada por el efecto de las interacciones PE, CS y PP. Los valores de Δeq calculados más altos son 83,978, 80,772 y 80,977 cm para las nanopartículas de TiO2 puras fabricadas, el compuesto de TiO2 Co-TiO2 dopado simple y el compuesto de TiO2 Co-TiO2/C dopado doble, respectivamente. El Δeq calculado disminuye rápidamente a medida que aumentan los valores de Eγ debido a la gran disminución en los valores de µ de Pb en comparación con la disminución lograda en el valor de µ de los compuestos fabricados. Entre 0,059 y 0,122 MeV, el Δeq aumentó en un factor de ≈ 103 % para los compuestos fabricados. El aumento mencionado en el Δeq se atribuye a la baja caída en los valores de µ de Pb en comparación con la caída reportada en los valores de µ de los compuestos fabricados. El µ de Pb se redujo en un factor de ≈ 34 %, mientras que los valores de µ de los compuestos probados se redujeron en un factor de ≈ 67 % cuando el Eγ aumentó entre 0,059 y 0,122 MeV. Posteriormente, en el intervalo intermedio de energía entre 0,344 y 0,964 MeV, los valores de Δeq se redujeron en factores de ≈ 62%. Esta reducción se debe a una gran reducción en los valores de µ de Pb en comparación con la reducción moderada de los valores de µ para los compuestos fabricados. En el intervalo de interacción CS, el valor µ del Pb cayó un 76 % y el µ de los compuestos sintetizados disminuyó un 37,57, 37,60 y 37,57 % para las nanopartículas de TiO2, TiO2 con dopaje simple (Co-TiO2) y TiO2 con dopaje doble (Co-TiO2). TiO2/C). Debido a que los valores de µ para Pb y los compuestos fabricados son independientes de la energía del fotón γ, no hay una variación significativa en los valores de Δeq con variación en los valores de Eγ en el intervalo alto de Eγ entre 1,173 y 2,506 MeV. Los valores de Δ0.5 muestran un aumento al aumentar los valores de Eγ debido a la reducción registrada para los valores de µ, donde los valores de Δ0.5 son inversamente proporcionales a µ (ver Ec. 3).

El coeficiente de atenuación lineal, el espesor de la mitad del valor y el espesor equivalente de plomo para los compuestos preparados.

El cambio en los valores de µ, Δ0,5 y Δeq frente a las cantidades de nanopartículas de Ti4+ y Co3+ en Eγ de 0,662 MeV se proporcionó en la Fig. 12. Los valores de µ disminuyeron al aumentar las concentraciones de Ti, mientras que aumentaron al aumentar la concentración de Co . Mientras que Δ0,5 y Δeq aumentaron al aumentar las concentraciones de Ti, mientras que disminuyeron al aumentar las concentraciones de Co a Eγ de 0,662 MeV. Los valores de Δ0,5 aumentaron ligeramente de 2,730 a 2,827 cm al aumentar la concentración de Ti4+ de 55,4 a 61,9 % en peso, mientras que disminuyeron al aumentar la concentración de Co de 0 a 3,7 %. Además, los valores de Δeq en el mismo Eγ de 0,662 aumentan de 4,896 a 5,069 cm al aumentar la concentración de nanopartículas de Ti de 55,4 a 61,9 % en peso, mientras que disminuye de 5,069 a 4,896 al aumentar la concentración de nanopartículas de Co3+ de 0 a 3,7 % en peso. Los comportamientos ilustrados para µ, Δ0.5 y Δeq se atribuyeron al reemplazo parcial de nanopartículas de Ti4+ con nanopartículas de Co3+ donde el reemplazo parcial de las nanopartículas de Ti por Co provoca un aumento en la densidad electrónica de los compuestos, lo que crea más resistencia para pasar los fotones incidentes.

Variación del coeficiente de atenuación lineal, espesor medio y espesor equivalente de plomo frente a concentraciones de Ti y Co.

La Figura 13 ilustra una comparación entre los valores de µ de los compuestos fabricados y los valores de µ para algunos compuestos informados anteriormente y vidrios protectores comerciales comunes a Eγ de 0,662 MeV. Los compuestos fabricados TiO2, Co-TiO2 y Co-TiO2/C tienen valores µ de 0,245 cm−1, 0,253 cm−1 y 0,254 cm−1. Estos valores son superiores a los informados para AlB12 (0,186 cm−1), B4C (0,189 cm−1), MgB2 (0,192 cm−1), Al (SO4) (0,203 cm−1), KAl (SO4) (0,132 cm− 1), compuestos de Mg(OH)2 (190 cm−1) y Na2SO4 (0,197 cm−1)36,37. Además, los valores µ de los compuestos fabricados son más altos que los RS-253, RS-253 G18 y RS-323 G19 de los vidrios comerciales comunes con valores µ de 0,16 cm−1, 0,16 cm−1 y 0,24 cm−1, respectivamente38 . Por el contrario, los compuestos fabricados tienen valores de µ inferiores a los informados para BaSO4, Fe2O336 y RS-36038 con valores de µ de 0,347 cm−1, 0,388 cm−1 y 0,27 cm−1, respectivamente. La gran cantidad de metales pesados ​​Ba, Fe y Pb es responsable de los altos valores lineales de Ba2SO4, Fe2O3 y RS-360, y el último contiene casi un 45 % en peso de PbO.

Comparación del coeficiente de atenuación lineal para los compuestos fabricados con la atenuación lineal de los compuestos informados anteriormente y los vidrios protectores comerciales.

Los valores de TF y RPE para los compuestos seleccionados se muestran en la Fig. 14. Una disminución en los valores de TF entre 15,2 y 88,0 % (para el compuesto TiO2), entre 13,9 y 87,7 % (para el compuesto Co-TiO2) y entre 14,2 y 87,8 % (para el compuesto Co-TiO2/C) cuando el Eγ aumentó de 0,059 a 2,506 MeV. Por otro lado, el RPE disminuye de 84,8 a 12,0% (para composite TiO2), de 86,1 a 12,3% (para composite Co-TiO2), y de 85,8 a 12,3% (para composite Co-TiO2/C) cuando el Eγ varió entre 0,059 y 2,506 MeV. Los comportamientos discutidos previamente para ambos parámetros se atribuyen a la capacidad de penetración de los fotones γ incidentes, donde el aumento de la energía provoca un aumento en el poder de penetración de los fotones debido a la disminución de la longitud de onda del fotón. Por lo tanto, los fotones emitidos (No) pasan los compuestos probados con un bajo número de colisiones con los electrones circundantes. Por lo tanto, el aumento de Nt está asociado con una disminución en el número de fotones absorbidos en los compuestos fabricados (Na). El mencionado aumento en el Nt así como la disminución en los fotones de Na dan lugar al aumento en el TF y disminución en el RPE al aumentar las energías de los fotones γ.

Dependencia del factor de transmisión y la eficiencia de protección radiológica de la energía del fotón γ para los materiales compuestos fabricados.

La dependencia de los valores de TF y RPE del espesor de los materiales compuestos se ilustró en la Fig. 15. Los valores de TF disminuyeron y el RPE aumentó para todos los materiales compuestos fabricados cuando el espesor del material compuesto aumentó entre 0,025 y 2 cm. Cuando el espesor osciló entre 0,25 y 2 cm, los valores de TF disminuyeron linealmente de 93,3 a 57,6 % (para composite de TiO2), de 86,7 a 56,6 % (para composite de Co-TiO2) y de 86,7 a 56,5 % (para composite de Co-TiO2). compuesto /C). Pero, el RPE aumentó linealmente de 6,7 a 42,4 % (para compuesto de TiO2), de 6,9 ​​y 43,4 % (para compuesto de Co-TiO2) y de 6,9 ​​a 43,5 % (para compuesto de Co-TiO2/C) cuando el espesor del compuesto elevado de 0,25 a 2 cm a una energía de fotones gamma de 0,511 MeV. El aumento del grosor del compuesto provoca un aumento en la longitud de la trayectoria de los fotones γ incidentes dentro de los compuestos fabricados. Por lo tanto, aumenta la posibilidad de que los fotones incidentes interactúen con los electrones circundantes. Así, la energía consumida por los fotones incidentes aumentó en el interior del material con espesores más altos que los más bajos, lo que resultó en un aumento significativo en los valores de RPE acompañado de una disminución correspondiente en los valores de TF39.

Dependencia del factor de transmisión y de la eficiencia de protección radiológica del espesor del material compuesto.

Se sintetizó un nanocompuesto de TiO2 dopado con cobalto con más vacantes en la cadena de oxígeno con base en un método hidrotermal en un solo paso y la formación y cristalinidad del compuesto sintetizado se confirmaron usando XRD en láminas 2D con un tamaño de cristal promedio de menos de 13 nm. Además, la µm de los nanocompuestos de titania dopados con cobalto se estimó utilizando MCNP5 entre 0,059 y 2,506 MeV. Los valores simulados del coeficiente de atenuación de masa se confirmaron utilizando el programa XCOM, donde la diferencia entre los resultados de XCOM y MCNP osciló entre ≈ ± 2%. El coeficiente de atenuación de masa disminuyó de 0,567 a 0,038 cm2/g (compuesto de TiO2), de 0,567 a 0,038 cm2/g (compuesto de Co-TiO2) y de 0,570 a 0,038 cm2/g (compuesto de Co-TiO2/C) en la energía estudiada. región. Los valores del coeficiente de atenuación de masa aumentan con la disminución de los iones Ti4+ en los compuestos fabricados a fotoenergía γ baja, mientras que no tienen cambios considerables con la sustitución de iones Ti4+ por iones Co3+ a energía fotónica γ intermedia y alta. Además, el µ aumenta ligeramente al elevar los iones Co3+ entre 0 y 3,7 % en peso en los compuestos fabricados. El aumento mencionado en los valores de µ se asoció con una ligera disminución en los valores de Δ0.5 y Δeq. Según los resultados concluidos, los nanocompuestos de TiO2 basados ​​en compuestos fabricados se pueden usar como rellenos para mejorar la capacidad de protección contra rayos gamma de polímeros, cerámicas y materiales de pintura. Los compuestos fabricados tienen una buena capacidad de protección en intervalos de energía de rayos gamma bajos e intermedios, pero no son adecuados para aplicaciones de alta energía de rayos gamma.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Kamislioglu, M. Investigación sobre los efectos del sistema de vidrio de borato de bismuto en los parámetros de protección contra la radiación nuclear. Resultados Phys 22, 103844 (2021).

Artículo Google Académico

Naseer, KA et al. Estudios ópticos, elásticos y de blindaje de neutrones de Nb2O5 variados vidrios de borato de bario dopados con Dy3+. Optik 251, 168436 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Aldhuhaibat, MJR, Amana, MS, Jubier, NJ y Salim, AA Características mejoradas de protección contra la radiación gamma de compuestos epoxi: evaluación del coeficiente de atenuación de masa, número atómico y de electrones efectivos. radiar física química 179, 109183 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Sayyed, MI & Mahmoud, KA Simulación del impacto de Bi2O3 en el rendimiento de la protección contra rayos gamma para vidrios de silicato de zinc y litio. Optik 257, 168861 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Fidan, M., Acikgoz, A., Demircan, G., Yilmaz, D. & Aktas, B. Propiedades de blindaje óptico, estructural, físico y nuclear, y parámetros de albedo de los vidrios TeO2–BaO–B2O3–PbO–V2O5. J. física. química Sólidos 163, 110543 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Ambika, MR et al. Preparación y caracterización de escudos de radiación gamma compuestos de polímero isoftálico-Bi2O3. radiar física química 130, 351–358 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Alavian, H. & Tavakoli-Anbaran, H. Estudio sobre compuestos poliméricos de protección gamma reforzados con diferentes tamaños y proporciones de partículas de tungsteno utilizando el código MCNP. prog. Núcleo Energía 115, 91–98 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Hemeda, OM, Eid, MEA, Sharshar, T., Ellabany, HM y Henaish, AMA Síntesis de PbZr Ti1-O3 de tamaño nanométrico para la atenuación de rayos gamma. J. física. química Sólidos 148, 109688 (2021).

Artículo CAS Google Académico

El Sharkawy, RM et al. Investigación de las características mecánicas y de protección contra la radiación de nuevos sistemas de vidrio con la composición xNiO-20ZnO-60B2O3-(20–x) CdO basada en óxidos de nanometales. J. No Cryst. Sólidos 528, 119754 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Hannachi, E., Sayyed, MI, Slimani, Y. & Elsafi, M. Estudio experimental de sistemas cerámicos a base de itrio que contienen nanomateriales para aplicaciones de protección contra la radiación gamma. aplicación física A 128, 859 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Mahmoud, KA, Sayyed, MI, Almuqrin, AH, Elhelaly, MA & Alhindawy, IG Síntesis de polvos de vidrio para aplicaciones de protección contra la radiación a base de licor de lixiviación de minerales de circonio. radiar física química 207, 110867 (2023).

Artículo CAS Google Académico

Alhindawy, IG, Gamal, H., Almuqrin, AH, Sayyed, MI & Mahmoud, KA Impactos de la temperatura de calcinación en las propiedades estructurales y de protección contra la radiación del compuesto NASICON sintetizado a partir de minerales de circón. Núcleo Ing. Tecnología https://doi.org/10.1016/j.net.2023.02.014 (2023).

Artículo Google Académico

Guo, Q., Zhou, C., Ma, Z. y Yang, X. Fundamentos de la fotocatálisis de TiO2: conceptos, mecanismos y desafíos. Adv. Mate. 31, 1901997 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Gao, Q., Wu, X. & Wang, D. Efecto del co-dopaje con flúor y niobio para aumentar el rendimiento de bloqueo NIR de las nanopartículas de TiO2 para una ventana de eficiencia energética. Sol. Energía 238, 60–68 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chen, J., Kou, S. & Poon, C. Hidratación y propiedades de compuestos de cemento mezclados con nano-TiO2. cem. concr. compos. 34, 642–649 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Parque, J. et al. Evaluación del rendimiento del blindaje de neutrones de la pasta de cemento con nano-TiO2 incorporado mediante simulación Monte Carlo. prog. Núcleo Energía 117, 103043 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Moustafa, H., Karmalawi, AM & Youssef, AM Desarrollo de nanocompuestos híbridos de TiO2 cubiertos con dapsona y sus efectos sobre la radiación UV, las propiedades mecánicas y térmicas y la actividad antibacteriana de los bionanocompuestos de PVA. Reinar. Nanotecnología. Monitorear Administrar 16, 100482 (2021).

CAS Google Académico

Hebeish, AA, Abdelhady, MM & Youssef, AM TiO2 nanowire y TiO2 nanowire dopado Ag-PVP nanocomposite para textiles de algodón antimicrobianos y autolimpiables. Carbohidr. polim. 91, 549–559 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

El-Sayed, SM, El-Sayed, HS, Ibrahim, OA & Youssef, AM Diseño racional de bionanocompuestos de quitosano/goma guar/óxido de zinc basados ​​en extracto de cáliz de Roselle para recubrimiento de queso Ras. Carbohidr. polim. 239, 116234 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Abouhaswa, AS, Sayyed, MI, Mahmoud, KA y Al-Hadeethi, Y. Influencia directa del óxido de mercurio en las propiedades estructurales, ópticas y de protección contra la radiación de un nuevo sistema de vidrio de borato. Cerámica. En t. 46, 17978–17986 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Sayyed, MI et al. La influencia de PbO y Bi2O3 en el blindaje contra la radiación y las características elásticas de diferentes vidrios. J. Mercado. Res. 9, 8429–8438 (2020).

CAS Google Académico

El-Agawany, FI et al. Parámetros de protección física, de neutrones y de rayos gamma para vidrios de Na 2 O-SiO 2 –PbO. emergente Mate. Res. 10, 227–237 (2021).

Google Académico

Abouhaswa, AS, Sayyed, MI, Altowyan, AS, Al-Hadeethi, Y. & Mahmoud, KA Síntesis, características estructurales, ópticas y de blindaje contra la radiación de los vidrios de borato dopados con trióxido de tungsteno utilizando la simulación de Monte Carlo y el programa phy-X. J. No Cryst. Sólidos 543, 120134 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Sayyed, MI et al. Aplicación del código MCNP 5 para simular las características de blindaje de muestras de concreto con diferentes agregados. radiar física química 174, 108925 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Abdelghany, AM, Diab, HM, Madbouly, AM y Ezz-ElDin, FM Inspección de la capacidad de protección contra la radiación y el efecto de los rayos gamma en la ESR y las características térmicas de los biovidrios de borato modificado con óxido de cobre. J. Inorg Organomet Polym. Mate. 32, 3204–3219 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Mahmoud, KA, El-Agwany, FI, Rammah, YS & Tashlykov, OL Capacidad de blindaje de rayos gamma y factores de acumulación de vidrios de borato de litio dopados con CdO: estudio teórico y de simulación. J. No Cryst. Sólidos 541, 120110 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Abouhaswa, AS, Sayyed, MI, Altowyan, AS, Al-Hadeethi, Y. & Mahmoud, KA Evaluación de las características de protección óptica y de rayos gamma para vidrios de borato de bismuto a base de tungsteno. Optar. Mate. 106, 109981 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Sayyed, MI, Hannachi, E., Mahmoud, KA y Slimani, Y. Síntesis de diferentes cerámicas (RE)BaCuO, estudio de sus propiedades estructurales y seguimiento de su eficiencia de protección radiológica mediante la simulación de Monte Carlo. Mate. química física 276, 125412 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Monshi, A., Foroughi, MR & Monshi, MR Ecuación de Scherrer modificada para estimar con mayor precisión el tamaño de los nanocristalitos usando XRD. Mundo J. Nano Sci. Ing. 160, 157 (2012).

Google Académico

Alhindawy, IG et al. Nanoláminas de titania-carbono dopadas con cobalto con vacantes de oxígeno inducidas para la degradación fotocatalítica de complejos de uranio en desechos radiactivos. Avanzado a nanoescala 4, 5330–5342 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Alhindawy, IG et al. Mejora del rendimiento fotocatalítico de nanoláminas de titania dopadas con cobalto mediante vacantes de oxígeno inducidas para la degradación eficiente de contaminantes orgánicos. Nano-Estructura. Nano-Objetos 31, 100888 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Lontio Fomekong, R. & Saruhan, B. Síntesis de TiO2 dopado con Co3+ por ruta de coprecipitación y sus propiedades de detección de gases. Frente. Mate. 6, 252 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yang, Y. et al. La influencia de las capas intermedias de metal en las propiedades estructurales y ópticas de las películas nanocristalinas de TiO2. aplicación Navegar. ciencia 258, 4532–4537 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zoromba, MS et al. Activación electroquímica de grafeno a baja temperatura: la síntesis de nanoarquitecturas tridimensionales para supercondensadores de alto rendimiento y desionización capacitiva. ACS sostener. química Ing. 5, 4573–4581 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Berger, MJ et al. XCOM: Base de datos de secciones transversales de fotones. nacional Inst. Pararse. Tecnología Gaithersburg MD https://doi.org/10.18434/T48G6X (2010).

Artículo Google Académico

Huse, SD et al. Estudio de las características de blindaje contra la radiación de algunos compuestos químicos. J. física. Conf. Ser. 1644, 012061 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Ekinci, N. et al. Propiedades físicas, propiedades experimentales y teóricas de protección contra rayos gamma de algunos compuestos de boro. radiar física química 194, 110012 (2022).

Artículo CAS Google Académico

SCHOTT AG. Gafas de protección contra la radiación. www.schott.com/advanced_optics (2013).

Sayyed, MI et al. Mejora de la capacidad de blindaje de los vidrios de sosa y cal con dopante Sb2O3: un material potencial para la seguridad radiológica en instalaciones nucleares. aplicación ciencia 11(1), 1–15 (2021).

Descargar referencias

Los autores expresan su agradecimiento al Proyecto de Apoyo a los Investigadores de la Universidad Princesa Nourah bint Abdulrahman número (PNURSP2023R2), Universidad Princesa Nourah bint Abdulrahman, Riyadh, Arabia Saudita.

Autoridad de Materiales Nucleares, PO Box 530, El-Maadi, El Cairo, Egipto

Islam G. Alhindawy y Karem A. Mahmoud

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Isra, Amman, Jordania

MI Sayyed

Departamento de Investigación de Medicina Nuclear, Instituto de Investigación y Consultas Médicas (IRMC), Universidad Imam Abdulrahman Bin Faisal (IAU), PO Box 1982, 31441, Dammam, Arabia Saudita

MI Sayyed

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Princess Nourah Bint Abdulrahman, POBox 84428, 11671, Riyadh, Arabia Saudita

Aljawhara H. Almuqrin

Universidad Federal de los Urales, 19 Mira St, Ekaterimburgo, Rusia, 620002

Karem A. Mahmud

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Categoría 1: Concepción y diseño del estudio—IGA; KAM; MIS Adquisición de datos: IGA; KAM; AHA Análisis y/o interpretación de datos: IGA; KAM Categoría 2: Redacción del manuscrito— IGA; KAM; MIS Revisión crítica del manuscrito para contenido intelectual importante: IGA; KAM; AHA; MIS Categoría 3: Aprobación de la versión del manuscrito a ser publicado—IGA; MAL; AHA; KAM

Correspondencia a Islam G. Alhindawy o Karem A. Mahmoud.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Alhindawy, IG, Sayyed, MI, Almuqrin, AH et al. Optimización del blindaje contra la radiación gamma con nanomateriales híbridos de cobalto-titania. Informe científico 13, 8936 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33864-y

Descargar cita

Recibido: 17 febrero 2023

Aceptado: 20 de abril de 2023

Publicado: 01 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33864-y

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.