Wetenschappers van EPFL, Duitsland en Frankrijk hebben een nieuwe eigenschap onthuld van het goedkope en overvloedige materiaal anataas titaniumdioxide, die toepassingen belooft als medium voor kamertemperatuur nanosensoren van mechanische stress met een optische uitlezing.

Het meten van mechanische stress in de nanowereld is een grote uitdaging in materiaalwetenschap en techniek. De sleutel tot deze vooruitgang is het vermogen om goedkope materialen van nanoformaat te combineren die reageren op mechanische stress en eenvoudige detectieschema's. Een kansrijke route is de ontwikkeling van sensoren met optische uitlezing. Echter, er zijn geen nanomaterialen bekend die op een eenvoudige en voorspelbare manier hun lichtabsorberende eigenschappen veranderen bij het uitoefenen van mechanische spanning, vooral bij kamertemperatuur. Dergelijke materialen zouden uiterst nuttig zijn in een aantal detectietoepassingen, variërend van biowetenschap tot metrologie.

In een draai, het lab van Majed Chergui bij EPFL in het Lausanne Center for Ultrafast Science, in samenwerking met de theoretische groepen van Angel Rubio aan Max-Planck (Hamburg) en Pascal Ruello aan de Université de Le Mans, heeft aangetoond dat nanodeeltjes van de anataaspolymorf van titaandioxide een revolutie teweeg kunnen brengen in het veld.

Titaandioxide is een goedkoop en overvloedig materiaal dat al wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals fotovoltaïsche, fotokatalyse, transparante geleidende substraten, zonnescherm, verven, water- en luchtzuivering. Met hun recente ontdekking gepubliceerd in Nano-letters , Chergui en zijn collega's laten zien dat titaniumdioxide de meest veelbelovende kandidaat is voor de ontwikkeling van kamertemperatuursensoren van spanning op nanoschaal en met een optische uitlezing.

In hun experimenten, de onderzoekers lanceerden een mechanische spanningsgolf in titaniumdioxide-nanodeeltjes bij kamertemperatuur en volgden hun optische respons in de buurt van de belangrijkste absorptieband van het materiaal, een "exciton" genoemd. Ze ontdekten dat de laatste een verandering van intensiteit ondergaat onder de uitgeoefende mechanische belasting. Deze simpele reactie staat haaks op het gedrag van alle bekende materialen, waarvan de optische reacties op mechanische spanning complex en onvoorspelbaar zijn. Deze nieuwe bevindingen maken de weg vrij voor de ontwikkeling van sensoren met een optische uitlezing op basis van een enkele laserfrequentie die is afgestemd op de excitonresonantie.

Aangezien titaniumdioxide al in een groot aantal apparaten is ingebouwd en er een brede expertise beschikbaar is om het te combineren met andere systemen, deze bevindingen beloven een nieuwe generatie optische sensoren van mechanische stress op nanoschaal.

"Deze waarneming werd mogelijk gemaakt dankzij onze nieuwe ultrasnelle lasertechnieken in het diep-ultraviolet. We verwachten dat onze experimentele methode in de nabije toekomst zal leiden tot nog meer opwindende ontdekkingen in de nanowereld, " zegt Edoardo Baldini (eerste auteur van het artikel, nu bij MIT).