Vetro e vetro-ceramiche al borato di calcio sintetizzati per via sol–gel: effetto del drogaggio con CrCl3 su struttura, proprietà meccaniche ed efficienza di schermatura ai raggi gamma

Finestre più resistenti contro i raggi invisibili

La medicina moderna e le tecnologie nucleari si affidano a fasci potenti di raggi X e raggi gamma, che però comportano rischi per pazienti, operatori e apparecchiature. Le schermature tradizionali spesso usano piombo pesante e tossico o calcestruzzo ingombrante. Questo lavoro esplora un approccio diverso: vetri e vetro‑ceramiche progettati per bloccare le radiazioni nocive mantenendo trasparenza e resistenza meccanica, aprendo la strada a finestre di osservazione più sicure, pannelli protettivi e dispositivi per la protezione oculare.

Progettare un nuovo tipo di vetro protettivo

I ricercatori si sono concentrati sul vetro al borato di calcio, una famiglia di materiali già apprezzata per chiarezza ottica e stabilità chimica. Hanno utilizzato una via sol–gel a bassa temperatura per ottenere vetri con la formulazione 55% ossido di calcio e 45% ossido di boro, sostituendo progressivamente parte del componente boro con cloruro di cromo(III) (CrCl₃) fino al 3 mol%. Dopo la formazione di un gel e l’essiccazione fino a una polvere fine, il materiale è stato trattato termicamente a 500 °C e poi a 700 °C per ottenere sia la forma vetrosa sia la vetro‑ceramica. Questa lavorazione controllata ha permesso di valutare come il cromo e il cloro modificano la struttura e le prestazioni del vetro di base.

Dal vetro liscio alla vetro‑ceramica resistente

Per sondare la struttura interna il team ha impiegato diffrazione a raggi X e spettroscopia infrarossa. A 500 °C i campioni restavano per lo più amorfi, come tipico dei vetri. Il riscaldamento a 700 °C, specialmente con aggiunta di CrCl₃, ha innescato la crescita di piccole regioni cristalline di borato di calcio all’interno della matrice vetrosa. Le immagini al microscopio hanno confermato che i campioni non drogati presentavano superfici più lisce e uniformi, mentre quelli dopati con cromo sviluppavano particelle più appuntite e facettate incapsulate nella matrice. Questi nuovi cristalli, insieme alle modifiche nella rete boratica, hanno aumentato la presenza di unità tetraedriche fortemente legate e hanno reso il materiale più denso e ordinato.

Imballare gli atomi più strettamente per aumentare la resistenza

Le misure hanno mostrato che l’aggiunta di CrCl₃ ha aumentato progressivamente la densità del vetro da 2,57 a 3,11 g/cm³ riducendo allo stesso tempo i volumi molari e i volumi liberi, il che indica un impacchettamento atomico più efficiente con meno spazi vuoti. Usando un modello teorico standard per l’elasticità dei vetri, gli autori hanno calcolato che le proprietà meccaniche chiave crescevano nettamente con il contenuto di cromo. Il modulo di Young, misura della rigidità, è salito da circa 66 a 108 GPa, mentre modulo di compressibilità, modulo di taglio e microdurezza sono migliorati in modo significativo. I valori del rapporto di Poisson indicano una rete altamente reticolata e meccanicamente stabile. Nel complesso, questi trend suggeriscono che le unità contenenti Cr e le fasi cristalline associate bloccano la struttura in un’impalcatura più rigida e robusta.

Fermare i raggi gamma con uno scudo più sottile

Per valutare la protezione dalle radiazioni il team ha utilizzato software specializzato per calcolare l’interazione dei vetri con fotoni da 0,015 a 15 MeV, coprendo le energie tipiche di raggi X medici e raggi gamma. All’aumentare del contenuto di cromo sono aumentati i coefficienti di attenuazione massica e lineare, soprattutto a energie più basse dove domina l’assorbimento fotoelettrico. Allo stesso tempo lo spessore per dimezzare l’intensità (half‑value layer), lo spessore per ridurla di un fattore dieci (tenth‑value layer) e il cammino medio libero sono diminuiti: a 0,04 MeV lo half‑value layer è passato da 0,336 cm nel vetro non drogato a 0,252 cm nel campione con massimo drogaggio. In termini pratici, serve meno materiale per ridurre l’intensità delle radiazioni della metà. Rispetto a calcestruzzi specializzati e ad altri vetri boratici, la composizione ricca di cromo ha offerto maggiore attenuazione e uno spessore di schermatura inferiore richiesto, mantenendo la forma vetrosa e la potenziale trasparenza.

Verso schermature trasparenti e senza piombo

In sintesi, lo studio dimostra che l’introduzione di quantità modeste di cloruro di cromo nel vetro al borato di calcio può aumentare simultaneamente densità, resistenza meccanica e capacità di bloccare i raggi gamma. La composizione con le migliori prestazioni, contenente 3 mol% di CrCl₃, coniuga elevata rigidità strutturale con potere schermante superiore rispetto a diversi materiali vetrosi e concreti esistenti. Per barriere non strutturali come finestre di osservazione, pannelli protettivi o dispositivi ottici specializzati, questi schermi a base di vetro privi di piombo potrebbero offrire un’alternativa più leggera, sicura e versatile rispetto ai materiali tradizionali.

Citazione: Alsairy, N., Madshal, M.A. & Althbiti, A. Sol–gel synthesized calcium borate glass and glass–ceramics: effect of CrCl₃ doping on structure, mechanics, and gamma-ray shielding efficiency. Sci Rep 16, 10977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45812-7

Parole chiave: vetro per schermatura dalle radiazioni, protezione dai raggi gamma, vetro al borato, drogaggio al cromo, vetro-ceramiche