de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der Universität Tōhoku in Zusammenarbeit mit der Universität Tsukuba und der Universität Saga ist die Entwicklung eines Zinkoxid-Materials (ZnO) gelungen, das ohne den Einsatz von Seltenerdelementen eine hohe Intensität und hohe Empfindlichkeit der mechanolumineszierenden Eigenschaften aufweist. Mechanolumineszierende Materialien können mechanische Energie wie Spannung, Dehnung und Vibration direkt in Licht umwandeln, ohne dass Batterien oder Kabel erforderlich sind. Sie fungieren als selbstversorgende Sensoren und haben Anwendungspotenzial in biomedizinischen Sensoren und der Infrastrukturüberwachung. Bisher waren hochleistungsfähige mechanolumineszierende Materialien jedoch meist auf teure Seltenerdmetalle oder komplexe Zusammensetzungen angewiesen.
Dieses neue Material verwendet Zinkoxid, ein auf der Erde reichlich vorhandenes Material, das bereits weit verbreitet in Sonnencremes, Kosmetika und Salben eingesetzt wird, und vereint hohe Empfindlichkeit mit geringen Kosten.
Durch die Zugabe einer geringen Menge Natrium zu Zinkoxid und die präzise Kontrolle der strukturellen Defekte des Materials gelang es den Forschern erstmals nachzuweisen, dass Zinkoxid ohne den Einsatz von Seltenerdelementen starke und hochempfindliche mechanolumineszierende Eigenschaften aufweisen kann.
Das Team analysierte die Materialeigenschaften mittels moderner Elektronenmikroskopie und Computermodellierung. Die Mikroskopie zeigte, dass die Partikeloberflächen eine charakteristische kraterartige Struktur aufweisen, die äußere Kräfte effektiv in innere Dehnung umwandeln kann. Gleichzeitig ergaben First-Principles-Berechnungen mit dem nach dem Gründer von Sendai, Date Masamune, benannten Supercomputer MASAMUNE-II, dass Spuren von Natrium stabile strukturelle Defekte erzeugen können, die vorübergehend elektrische Ladung speichern.
Die Berechnungen wiesen zudem darauf hin, dass Zink-Leerstellen für die Emission von Nahinfrarotlicht verantwortlich sind. Diese strukturellen Defekte wirken zusammen und lassen das Material bereits bei einem Druck von nur wenigen Kilopascal (vergleichbar mit dem Druck einer leichten Fingerberührung) hell leuchten.
Da das emittierte Nahinfrarotlicht biologisches Gewebe gut durchdringen kann, eignet sich das Material für medizinische Sensoren, die keine interne Stromversorgung benötigen, beispielsweise solche, die durch schwache Vibrationen wie Ultraschall von außerhalb des Körpers aktiviert werden. Das Material kann auch für die Überwachung von Infrastrukturen wie Brücken, Gebäuden oder Windturbinenblättern eingesetzt werden, indem es winzige Dehnungen und frühe Abnutzungserscheinungen in Form von sichtbarem Licht darstellt und so die Realisierung von Fernüberwachungssystemen ohne Verkabelung oder spezielle Stromversorgung ermöglicht.
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