Jaka jest więc ta najbardziej pasjonująca? Nowy materiał nie wymaga wykorzystania drogich metali ziem rzadkich, które dotychczas były niezbędnym składnikiem podobnych technologii. Według autorów badań jest to pierwsze na świecie tak skuteczne rozwiązanie oparte wyłącznie na powszechnie dostępnych surowcach.
Czytaj też: Energia słoneczna dostała dziwnie żywy nośnik. Ten materiał przebudowuje sam siebie
Japoński wynalazek należy do grupy substancji określanych mianem mechanoluminescencyjnych. Oznacza to, że potrafi emitować światło pod wpływem działania siły mechanicznej. W praktyce wystarczy nacisk, zginanie, drgania lub rozciąganie, aby materiał zaczął świecić. Dotychczasowe rozwiązania tego typu były jednak kosztowne, skomplikowane w produkcji i często wymagały wykorzystania trudno dostępnych pierwiastków. Japończycy postanowili znaleźć tańszą i bardziej praktyczną alternatywę.
Kluczem do sukcesu okazał się tlenek cynku, związek chemiczny powszechnie stosowany między innymi w kremach przeciwsłonecznych, kosmetykach oraz maściach medycznych. Badacze wzbogacili go niewielką ilością sodu i precyzyjnie kontrolowali powstawanie mikroskopijnych defektów w strukturze materiału. Dzięki temu udało się uzyskać niezwykle czuły efekt świetlny przy zachowaniu niskich kosztów produkcji.
Aby zrozumieć mechanizm działania nowego materiału, naukowcy wykorzystali zaawansowaną mikroskopię elektronową i modelowanie komputerowe. Na podstawie analiz dowiedzieli się, że cząstki tlenku cynku posiadają charakterystyczną powierzchnię przypominającą mikroskopijne kratery. Taka struktura pozwala wyjątkowo skutecznie przekształcać zewnętrzny nacisk w naprężenia wewnątrz materiału. Dodatkowo obecność atomów sodu tworzy stabilne defekty krystaliczne zdolne do czasowego magazynowania ładunku elektrycznego.
Autorzy odkryli również, że za emisję światła odpowiadają specyficzne braki atomów cynku w strukturze kryształu. To właśnie one umożliwiają powstawanie promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni. Materiał jest tak czuły, iż zaczyna emitować wyraźny sygnał świetlny pod wpływem nacisku wynoszącego zaledwie kilka kilopaskali, czyli porównywalnego z lekkim dotknięciem palcem.
Czytaj też: Odchudzali materiał aż do granic rozsądku. Nagle stało się coś zaskakującego
Największe nadzieje możemy wiązać z zastosowaniami medycznymi. Emitowane światło znajduje się w zakresie bliskiej podczerwieni, która stosunkowo łatwo przenika przez tkanki biologiczne. Oznacza to możliwość tworzenia miniaturowych czujników działających bez baterii i przewodów. W przyszłości takie urządzenia mogłyby monitorować procesy zachodzące wewnątrz organizmu, a nawet być aktywowane z zewnątrz przy pomocy ultradźwięków. Zdaniem naukowców może to otworzyć drogę do nowych metod diagnostycznych oraz systemów monitorowania stanu zdrowia pacjentów.
Równie obiecująco wyglądają zastosowania w inżynierii i budownictwie. Taki materiał mógłby posłużyć do monitorowania mostów, wież, budynków czy turbin wiatrowych. Nawet niewielkie odkształcenia konstrukcji powodowałyby emisję światła, umożliwiając szybkie wykrywanie uszkodzeń lub oznak zużycia. Takie systemy mogłyby działać bez zewnętrznego źródła zasilania, znacząco obniżając koszty nadzoru nad infrastrukturą. Jako że konwencjonalnie stosowane materiały mechanoluminescencyjne często opierają się na metalach ziem rzadkich, to pojawia się problem z ich kosztownych wydobyciem. Wykorzystanie powszechnie występującego tlenku cynku może nie tylko obniżyć koszty produkcji, ale i zmniejszyć zależność przemysłu od strategicznych surowców.
Źródło: Advanced Science
