石碧院士团队在《Nano Today》发表论文，研究制得高吸收型天然皮革辐射防护材料

点击数：9502024-08-29 13:41:16　来源: X-MOL资讯

如今，X/γ射线等放射性射线在医学、工业、能源及科研等领域得到了广泛的应用。然而，长时间暴露在辐射下会对人体造成严重的损伤，故使用合适的材料对X/γ射线进行防护是安全利用辐射的前提条件。目前常用的高分子防护材料通常是将晶态高原子序数（Z）组分与高分子载体共混制得复合材料，然而，晶态高Z组分易把射线定向衍射或散射至材料外，光子仅发生了能量转移，仍可能对周边环境或人员造成潜在风险。因此，开发新的辐射防护材料设计思路，将光子的表面能量转移机制调整为能量内部耗散机制，在实现优异的辐射防护效果的同时兼具较低的二次辐射，是亟需攻克的难点。

在前期研究工作中，四川大学石碧院士&廖学品教授团队受古代瓮城防御系统的启发，提出了一种制备辐射屏蔽材料的瓮城策略，并制得具有优异X射线屏蔽性能的天然皮革可穿戴辐射防护材料。在此基础上，该团队对核壳结构的组分进行了精心设计，选取铋元素（Z=83）为核区域元素、钆元素（Z=64）为壳层区域元素，通过两种元素的K吸收边的协同作用，成功地构筑了核壳纳米光子阱；利用天然皮革的结构及化学特性，将纳米光子阱分散并稳定在天然皮革的各级纤维结构中，即可制得高吸收型天然皮革辐射防护材料（图1）。

由SEM及TEM表征可知，成功地制得了Bi@Gd核壳纳米光子阱，并成功地将其均匀地分散到天然皮革的多层级结构中制得了复合材料（Bi@Gd/NL）。由于天然皮革的纤维结构表面含有大量的活性基团，Bi@Gd核壳纳米光子阱在天然皮革内部实现了稳定的负载（图2），从而使Bi@Gd/NL具有优异的X射线屏蔽稳定性。

通过蒙特卡洛模拟结果可知，与Bi@Sn相比，使用K吸收边更加匹配的Bi和Gd构筑核壳纳米光子阱，可以更加有效地捕获光子，减少透过材料及散射至材料前端的光子数量（图3a）。基于模拟结果制备复合材料进行测试，发现以高密度聚乙烯（HDPE）为载体时，将两种高Z元素制备成核壳纳米光子阱可以通过高Z元素的有序分布提高光子能量与高Z元素K吸收边的匹配程度，增大发生光电效应的概率，实现光子能量的梯度衰减，从而使入射至光子阱中的光子能量被充分耗散，故与Bi1.0+Gd0.1/HDPE相比，Bi1.0@Gd0.1/HDPE具有更高的屏蔽效率和更低的二次辐射比率（图3b,c）。进一步将载体从HDPE换为天然皮革（NL），其结构中的微米尺度及纳米尺度的多级纤维可以有效增强入射光子在材料内部的散射，并与各级纤维表面均匀分散的纳米光子阱协同作用，通过捕获与吸收彻底耗散光子的能量，从而实现超高的屏蔽效率和超低的二次辐射比率（图3b,c）。

综上，该工作通过在天然皮革中构建核壳纳米光子阱，成功地将光子的表面能量转移机制调整为能量内部耗散机制，制得了高吸收型天然皮革辐射防护材料。该材料在实现优异的辐射防护效果的同时兼具较低的二次辐射，据核算，通过光子阱吸收的辐射能量占材料屏蔽的辐射总能量的99.95%以上。

该研究成果近期发表于Nano Today，四川大学轻工科学与工程学院2020级博士研究生李昊为本文第一作者，四川大学轻工科学与工程学院廖学品教授和王亚平助理研究员为论文的通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金（222278279）、中国博士后科学基金（2023M742493）及中央高校基本科研业务费专项资金（2024SCU12068）的资助。