Studio sperimentale e simulazione Monte Carlo sulle proprietà schermanti dei fotoni di compositi in poliestere rinforzati con ZrO2 utilizzando i codici GEANT4 e MCNP

Perché contano scudi più sicuri contro le radiazioni

Ospedali, impianti industriali e laboratori di ricerca fanno affidamento su dispositivi che emettono radiazioni ad alta energia, come i raggi X e i raggi gamma, per vedere all’interno del corpo umano, controllare parti industriali o studiare nuovi materiali. Per proteggere lavoratori e pazienti, queste radiazioni devono essere bloccate o attenuate tramite schermature. Per decenni, lastre pesanti e tossiche di piombo hanno svolto la maggior parte di questo lavoro. Lo studio qui riassunto esplora un’alternativa più leggera e meno pericolosa: materiali a base di plastica rinforzati con piccolissime particelle di ossido di zirconio che possono fermare fotoni dannosi quasi quanto il piombo.

Costruire un nuovo tipo di plastica protettiva

I ricercatori si sono concentrati su una comune plastica chiamata poliestere, economica, facile da modellare e già ampiamente impiegata in campo industriale. Da sola, il poliestere non schermava efficacemente i raggi gamma, perciò il team l’ha miscelato con quantità crescenti di ossido di zirconio (ZrO₂), una ceramica densa e stabile già utilizzata in impianti dentali e celle a combustibile. Hanno creato quattro tipi di campioni circolari: poliestere puro e versioni contenenti basse, medie e maggiori quantità di ossido di zirconio. Misure semplici hanno mostrato che all’aumentare dell’ossido di zirconio i campioni diventavano leggermente più densi, suggerendo che potessero anche migliorare nella schermatura.

Testare le schermature con esperimenti e modelli virtuali

Per valutare quanto bene queste plastiche potessero bloccare le radiazioni, il team ha irradiato i campioni con raggi gamma provenienti da una sorgente di cesio‑137 e misurato quanta radiazione fosse passata fino a un rivelatore sul lato opposto. Hanno quindi ripetuto lo stesso allestimento al computer utilizzando avanzati codici di simulazione Monte Carlo, inclusi GEANT4 e MCNP, insieme a diversi strumenti online che calcolano come i fotoni attraversano la materia. Queste simulazioni tracciano milioni di particelle mentre si disperdono, vengono assorbite o passano dritte attraverso il materiale, consentendo agli scienziati di stimare proprietà chiave della schermatura, come la velocità con cui l’intensità della radiazione diminuisce con lo spessore e quanto deve essere spesso un foglio per dimezzare il fascio o ridurlo a un decimo dell’intensità originale.

Uno sguardo all’interno del materiale

Oltre alle misure semplici, il gruppo ha esaminato la struttura interna dei loro compositi. Mediante diffrazione a raggi X hanno confermato che la matrice di poliestere rimaneva per lo più non cristallina, mentre le particelle di ossido di zirconio mantenevano la loro struttura ordinata e cristallina. Immagini al microscopio elettronico a scansione hanno mostrato come queste particelle fossero distribuite all’interno della plastica per carichi bassi e alti. La presenza di grani di ossido di zirconio chiaramente visibili in tutto il poliestere ha dimostrato che i riempitivi erano stati integrati con successo, condizione importante affinché il materiale interagisca efficacemente con i raggi gamma in arrivo.

Come si comportano le nuove schermature

Nel campo di energie dei fotoni che comprende quelle usate in diagnostica medica e controlli industriali, tutti i metodi hanno evidenziato la stessa tendenza: l’aggiunta di ossido di zirconio migliorava progressivamente la capacità del materiale di bloccare i raggi gamma. I campioni con maggiore quantità di riempitivo richiedevano meno spessore per dimezzare il fascio di radiazione o ridurlo a un decimo, e la distanza media che un fotone poteva percorrere prima di interagire si riduceva. All’energia dei raggi gamma del cesio‑137, le prestazioni misurate corrispondevano da vicino alle previsioni al computer, con differenze generalmente nell’ordine di pochi punti percentuali. Lo studio ha anche confrontato questi compositi con il piombo convertendo le loro prestazioni in uno spessore equivalente di piombo. All’aumentare del contenuto di ossido di zirconio, il valore di “equivalente piombo” saliva, indicando che un sottile strato del composito potrebbe sostituire uno spesso e molto più pesante di piombo.

Cosa significa per le tecnologie di uso quotidiano

Per un non specialista, la conclusione principale è che è possibile realizzare schermature per raggi gamma più leggere e meno tossiche caricando plastiche comuni con particelle pesanti e stabili del tipo giusto. Il poliestere rinforzato con ossido di zirconio esaminato mostra che materiali di questo tipo possono avvicinarsi alle prestazioni del piombo nella gamma di energie basse‑medie rilevanti per molti impieghi medici e industriali, restando al contempo più facili da maneggiare e modellare. Poiché i risultati sperimentali sono risultati coerenti con diversi strumenti di simulazione, questi metodi al computer possono ora essere usati con fiducia per progettare e ottimizzare future schermature prima ancora che vengano realizzate in laboratorio.

Citazione: Abdollahi, M., Jafari, A. & Saray, A.A. Experimental and Monte Carlo simulation study on photons shielding properties of ZrO₂-reinforced polyester composites utilizing GEANT4 and MCNP codes. Sci Rep 16, 14529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44283-0

Parole chiave: schermatura dalle radiazioni, compositi polimerici, ossido di zirconio, raggi gamma, simulazione Monte Carlo