Nadir toprak içermeyen çinko oksit, stresten ışığa dönüşümde bir ilke imza attı

Mekanolüminesans malzemeler, stres, gerinim ve titreşim gibi mekanik enerjiyi doğrudan ışığa dönüştürür, bu da onları pil veya kablo gerektirmeyen, kendi kendine çalışan sensörler olarak çekici kılar. Biyomedikal sensörlerden kendi kendine güç sağlayan altyapı izleme sensörlerine kadar mekanolüminesans malzemelerin geniş bir potansiyel uygulama yelpazesi vardır. Bununla birlikte, yüksek performanslı mekanolüminesans malzemeler geleneksel olarak pahalı nadir toprak malzemelerine veya karmaşık malzeme bileşimlerine dayanmaktadır.

Şimdi, Tohoku Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, Tsukuba Üniversitesi ve Saga Üniversitesi ile işbirliği içinde, herhangi bir nadir toprak elementi kullanmadan güçlü, son derece hassas mekanolüminesans sergileyen bir çinko oksit (ZnO) malzemesi geliştirdi.

Yeni geliştirilen malzeme, halihazırda güneş kremleri, kozmetikler ve merhemler gibi ürünlerde bulunan, toprakta bol miktarda bulunan bir malzeme olan çinko oksiti kullanarak yüksek hassasiyeti düşük maliyetle birleştiriyor.

Ekibin keşfinin ayrıntıları dergide yayınlandı İleri Bilim.

Araştırmacılar bu performansı çinko okside az miktarda sodyum ekleyerek ve malzemenin yapısal kusurlarını dikkatle kontrol ederek elde ettiler. Ekibe göre bu, herhangi bir nadir toprak elementi kullanılmadan çinko oksitte güçlü, oldukça hassas mekanolüminesansın ilk gösterimidir.

Malzemenin neden bu kadar iyi performans gösterdiğini anlamak için ekip, gelişmiş elektron mikroskobu ve hesaplamalı modellemeyi kullandı. Mikroskopi, parçacıkların, dış kuvveti etkili bir şekilde iç gerilime dönüştürebilen, ayırt edici krater benzeri bir yüzey yapısına sahip olduğunu ortaya çıkardı.

Bu arada, adını Sendai’nin kurucusu Masamune Date’den alan MASAMUNE-II süper bilgisayarı kullanılarak gerçekleştirilen ilk prensip hesaplamaları, eser miktardaki sodyumun, elektrik yükünü geçici olarak depolayabilen kararlı yapısal kusurlar oluşturduğunu gösterdi.

Hesaplamalar ayrıca malzemenin yakın kızılötesi emisyonundan çinko boşluklarının sorumlu olduğunu ortaya çıkardı. Bu yapısal kusurlar hep birlikte, malzemenin yalnızca birkaç kilopaskallık basınç altında (kabaca hafif bir parmak ucu dokunuşuyla üretilen basınç) parlak ışık yaymasını sağlar.

Bu yüksek hassasiyet, çeşitli pratik uygulamaların kapısını açar. Yayılan ışık, biyolojik dokuya nispeten iyi bir şekilde nüfuz edebilen yakın kızılötesi bölgeye düştüğü için, malzeme, dahili güç kaynakları olmadan çalışan gelecekteki tıbbi sensörlerde kullanılabilir. Bu tür cihazlar potansiyel olarak ultrason gibi zayıf titreşimler kullanılarak vücudun dışından etkinleştirilebilir.

Malzeme aynı zamanda altyapı izlemeyi de destekleyebilir. Köprülere, binalara veya rüzgar türbini kanatlarına uygulandığında küçük gerilimlerin ve erken bozulma belirtilerinin ışık olarak görselleştirilmesine olanak sağlayabilir. Bu, kablolama veya özel güç kaynakları olmadan çalışan uzaktan izleme sistemlerine olanak sağlayabilir.