“Es increíble”: el maravilloso material que muy pocas personas pueden hacer

Acostado boca arriba en un gran escáner de hospital, lo más quieto posible, con los brazos por encima de la cabeza, durante 45 minutos. Eso no parece muy divertido.

Eso es lo que los pacientes del Hospital Royal Brompton de Londres tenían que hacer durante algunas exploraciones pulmonares, hasta que el hospital instaló un nuevo dispositivo el año pasado que redujo estas exploraciones a sólo 15 minutos.

Esto se debe en parte a la tecnología de procesamiento de imágenes del escáner, pero también a un material especial llamado telururo de cadmio y zinc (CZT), que permite a la máquina producir imágenes 3D muy detalladas de los pulmones de los pacientes.

«Este escáner proporciona imágenes hermosas», explica el Dr. Kshama Wechalekar, jefe del departamento de medicina nuclear y PET. «Esta es una hazaña increíble de la ingeniería y la física».

El CZT de la máquina, instalado en el hospital el pasado mes de agosto, fue fabricado por la empresa británica Kromek. Kromek es una de las pocas empresas del mundo que puede fabricar CZT. Quizás nunca hayas oído hablar de él, pero, en palabras del Dr. Wechalekar, está permitiendo una “revolución” en el campo de las imágenes médicas.

Este maravilloso material tiene muchos otros usos, incluso en telescopios de rayos X, detectores de radiación y escáneres de seguridad de aeropuertos. Y es cada vez más buscado.

Las investigaciones de los pulmones de los pacientes llevadas a cabo por el Dr. Wechalekar y sus colegas implican buscar la presencia de muchos coágulos de sangre pequeños en personas con Covid prolongado, o un coágulo más grande llamado embolia pulmonar, por ejemplo.

El escáner, valorado en un millón de libras, funciona detectando rayos gamma emitidos por una sustancia radiactiva inyectada en el cuerpo de los pacientes.

Pero la sensibilidad del escáner hace que se necesite menos cantidad de esta sustancia que antes: «Podemos reducir las dosis en aproximadamente un 30%», afirma el Dr. Wechalekar. Aunque los escáneres basados ​​en CZT no son nuevos en general, los escáneres de cuerpo completo de gran tamaño como este son una innovación relativamente reciente.

El propio CZT existe desde hace décadas, pero es notoriamente difícil de fabricar. «Fue necesario mucho tiempo para que el proceso de producción se desarrollara a escala industrial», afirma Arnab Basu, director general fundador de Kromek.

En las instalaciones de la empresa en Sedgefield, hay 170 hornos pequeños en una habitación que el Dr. Basu describe como «una granja de servidores».

En estos hornos se calienta un polvo especial, se funde y luego se solidifica en una estructura monocristalina. Todo el proceso lleva semanas. “Átomo a átomo, los cristales se reordenan (…) para que todos queden alineados”, explica el Dr. Basu.

CZT, un semiconductor recién formado, puede detectar pequeñas partículas de fotones en rayos X y rayos gamma con una precisión increíble, como una versión altamente especializada del sensor de imagen basado en silicio que detecta la luz en la cámara de su teléfono inteligente.

Cada vez que un fotón de alta energía golpea el CZT, moviliza un electrón y esta señal eléctrica puede usarse para crear una imagen. La tecnología de escáner anterior utilizaba un proceso de dos pasos, que no era tan preciso.

«Es digital», dice el Dr. Basu. «Es un único paso de conversión. Conserva toda la información importante, como el tiempo y la energía de los rayos X que inciden en el detector CZT; se pueden crear imágenes en color o espectroscópicas».

Añade que actualmente se utilizan escáneres basados ​​en CZT para la detección de explosivos en los aeropuertos del Reino Unido y para escanear el equipaje facturado en algunos aeropuertos de Estados Unidos. «Esperamos que CZT entre en el segmento de equipaje de mano en los próximos (pocos) años».

Pero no siempre es fácil conseguir CZT.

Henric Krawczynski de la Universidad de Washington en St Louis en Estados Unidos ya ha utilizado este material en telescopios espaciales unidos a globos de gran altitud. Estos detectores pueden capturar los rayos X emitidos tanto por las estrellas de neutrones como por el plasma alrededor de los agujeros negros.

El profesor Krawczynski quiere piezas muy delgadas de CZT de 0,8 mm para sus telescopios porque esto ayuda a reducir la cantidad de radiación de fondo que captan, lo que permite una señal más clara. «Queremos comprar 17 detectores nuevos», afirma. «Es realmente difícil adelgazar».

No pudo obtener CZT de Kromek. El Dr. Basu dice que su negocio actualmente está experimentando una gran demanda. «Apoyamos a muchas organizaciones de investigación», añade. «Para nosotros es muy difícil hacer cien cosas diferentes. Cada investigación (proyecto) requiere un tipo muy particular de estructura de detector».

Para el profesor Krawczynski, esto no es una crisis: dice que podría utilizar CZT, de investigaciones anteriores, o telururo de cadmio, una alternativa, para su próxima misión.

Sin embargo, en estos momentos hay mayores dolores de cabeza. La próxima misión debía despegar de la Antártida en diciembre, pero «todas las fechas cambian», explica el profesor Krawczynski, debido a Cierre del gobierno de EE. UU..

Muchos otros científicos utilizan CZT. En el Reino Unido, una importante actualización de la fuente de luz de diamante El centro de investigación de Oxfordshire, que cuesta 500 millones de libras, mejorará sus capacidades con la instalación de detectores basados ​​en CZT.

Diamond Light Source es un sincrotrón que envía electrones alrededor de un anillo gigante a una velocidad cercana a la de la luz. Los imanes hacen que estos electrones zumbantes pierdan energía en forma de rayos X, que se dirigen desde el anillo hacia líneas de luz para poder utilizarlos, por ejemplo, para analizar materiales.

Algunos experimentos recientes han implicado sondear las impurezas presentes en el aluminio a medida que se funde. Comprender mejor estas impurezas podría ayudar a mejorar las formas recicladas del metal.

Con la actualización de la fuente de luz Diamond, que se espera que esté completa en 2030, los rayos X producidos serán significativamente más brillantes, lo que significa que los sensores existentes no podrán detectarlos correctamente.

«No tiene sentido gastar todo este dinero en mejorar estas instalaciones si no se puede detectar la luz que producen», dice Matt Veale, jefe del grupo de desarrollo de detectores del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas, que es el propietario mayoritario de Diamond Light Source.

Por este motivo, también en este caso el CZT es el material elegido.