Als mechanoluminescerende materialen worden blootgesteld aan externe mechanische belasting, zenden ze zichtbaar of onzichtbaar licht uit. Een dergelijke excitatie kan optreden door bijvoorbeeld buigen of lichte druk, maar ook volledig contactloos door middel van ultrageluid. Op deze manier kan het effect op afstand worden geactiveerd en kan licht worden gebracht op plaatsen die normaal gesproken in het donker zijn, bijvoorbeeld in het menselijk lichaam. Als de ultrasone behandeling tegelijkertijd moet worden gebruikt om lokale warmte op te wekken, is het in zo'n gevoelige omgeving belangrijk om de optredende temperaturen goed te observeren. Materiaalwetenschappers van de Friedrich Schiller Universiteit in Jena, Duitsland hebben nu een mechanoluminescerend materiaal ontwikkeld dat niet alleen kan worden gebruikt om door middel van ultrageluid een lokale warmte-inbreng te genereren, maar tegelijkertijd ook feedback geeft over de lokale temperatuur. Ze rapporteren vandaag over hun onderzoeksresultaten in het tijdschrift Advanced Science .

Halfgeleiders en zeldzame aardmetalen

In hun werk houden de wetenschappers van Jena zich vaak bezig met de mechanische eigenschappen van anorganische materialen, in het bijzonder met hoe men mechanische processen optisch kan observeren.

"Mechanisch geïnduceerde lichtemissie kan ons veel details verschaffen over de reactie van een materiaal op mechanische stress", legt prof. Lothar Wondraczek van de Universiteit van Jena uit. "Maar om het toepassingsgebied uit te breiden, is het soms ook nodig om aanvullende informatie over de lokale temperatuur te verkrijgen, vooral wanneer de excitatie wordt uitgevoerd door middel van ultrageluid. Hier waren we aanvankelijk geïnteresseerd in sensormaterialen in de vorm van ultrafijne deeltjes, die - geïntroduceerd in de te onderzoeken omgeving - feedback kunnen geven over de interactie van ultrageluid met deze omgeving."

Hiervoor hebben de Jena-onderzoekers een oxysulfidehalfgeleider gecombineerd met het zeldzame aarde-erbiumoxide. De halfgeleidende structuur absorbeert mechanische energie die wordt geleverd door ultrasone excitatie, waarbij het erbiumoxide voor de lichtemissie zorgt. De temperatuur kan dan door middel van optische thermometrie uit het spectrum van het uitgestraalde licht worden afgelezen.

"Dit betekent dat we een temperatuurstijging van buitenaf kunnen stimuleren, deze kunnen meten aan de kenmerken van de lichtemissie en zo een compleet regelcircuit kunnen opzetten", legt Wondraczek uit.

Toepassing in fotodynamische therapie

De op afstand bestuurde lichtemissie, in combinatie met temperatuurregeling, zou voor dergelijke mechanoluminescerende materialen volledig nieuwe toepassingsgebieden kunnen openen, bijvoorbeeld in de geneeskunde. "Een mogelijk toepassingsgebied zou fotodynamische therapie kunnen zijn, waarbij licht wordt gebruikt om fotofysische processen te beheersen die het organisme kunnen ondersteunen bij genezing", zegt materiaalwetenschapper Wondraczek.

Met multi-responsieve mechanoluminescerende materialen in de vorm van zeer fijne deeltjes, konden niet alleen licht en warmte op een gewenste locatie worden gegenereerd, maar konden ze ook gericht worden gestuurd. Omdat biologisch weefsel transparant is voor het uitgezonden infrarood licht, is het mogelijk om tijdens de behandeling een gewenste temperatuur van buitenaf in te stellen en te regelen. "Dergelijke ideeën staan ​​echter nog in de kinderschoenen. Er is nog zeer uitgebreid onderzoek en studie nodig om ze in de praktijk te brengen."

Toegankelijker zijn andere toepassingen waarbij licht en warmte gericht naar donkere plekken moeten worden gebracht. Fotosynthese of andere door licht gestuurde reacties kunnen bijvoorbeeld specifiek worden geactiveerd, geobserveerd en gecontroleerd. Evenzo, teruggaand naar het begin, kan het materiaal worden gebruikt als een sensor voor het genereren of observeren van materiaalveranderingen, of ook als een onzichtbare, gecodeerde markering op materiaaloppervlakken. + Verder verkennen

Nieuw licht werpen op het beheersen van materiaaleigenschappen in perovskiet met een vaste laag