09.01.2020 - Ghent University

Leuchtendes Material merkt sich, wo es eingedrückt wurde

Denken Sie an das Rotorblatt einer Windkraftanlage oder ein Teil eines Flugzeugs. Nach einem schweren Sturm wollen Sie untersuchen, ob er von Hagelkörnern getroffen oder über eine bestimmte Schwelle belastet wurde, auch wenn keine eindeutigen Schäden sichtbar sind. Forscher der Universität Gent in Belgien haben ein druckempfindliches, lichtemittierendes Material entwickelt, das bis zu drei Tage nach dem Ereignis visualisieren kann, wo ein solcher Treffer stattgefunden hat. Dazu entwickelten sie ein so genanntes mechanolumineszentes Material, das spezifische Empfindlichkeiten gegenüber Druck (oder mechanischer Einwirkung) und Infrarotstrahlung aufweist.

Mechanolumineszierende Materialien sind eine bestimmte Klasse von Leuchtstoffen, die Licht aussenden können, wenn sie verformt werden oder wenn Druck auf sie ausgeübt wird. Dieser Prozess ist seit Hunderten von Jahren bekannt - zerkleinern Sie einfach einige Zuckerkristalle an einem dunklen Ort und Sie werden Lichtfunken beobachten - aber bei den meisten Materialien hängt er mit dem Aufbrechen von chemischen Bindungen in den Kristallen zusammen. Diese destruktive Art der Mechanolumineszenz ist für die Erfassung und Überwachung der strukturellen Integrität von Konstruktionen nicht sehr geeignet. In den vergangenen Jahrzehnten wurden mehrere Materialien berichtet und entwickelt, die bei Druckeinwirkung immer wieder Licht aussenden können. Die meisten von ihnen basieren auf der Speicherung von Energie im Kristallgitter des Leuchtstoffes nach der Einwirkung von Umgebungs- oder UV-Licht. Bei Druckbeaufschlagung wird diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt. Je höher der Druck oder die Verformung, desto stärker ist das erhaltene Signal, das die Quantifizierung eines breiten Spektrums von Spannungen in Materialien über größere Bereiche und mit guter räumlicher Auflösung ermöglicht. Ein Nachteil für einige Anwendungen ist, dass die mechanolumineszente Emission ständig überwacht werden muss, da die Emission nur bei Druckbeaufschlagung erfolgt.

In einer neuen Arbeit, die in Light Science & Applications veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler der LumiLab-Forschungsgruppe einem bestimmten mechanolumineszenten Material Speicher hinzugefügt. Durch die selektive Verwendung der Unvollkommenheiten (oder Defekte) in diesem Material war es möglich, bis zu drei Tage nach der Verformung des Materials zu visualisieren, wo der Druck ausgeübt wurde.

Die Autoren Robin Petit, Ang Feng, Simon Michels und Philippe Smet fassen das Funktionsprinzip ihres Ansatzes zusammen:

"Mechanolumineszierendes Material wurde in Polymerplatten eingearbeitet und kurzzeitig mit ultraviolettem Licht belichtet. Bei dieser Beleuchtung werden Defekte im Material mit Elektronen aus den Lumineszenzzentren bestückt. Wenn Druck auf das lumineszierende Material ausgeübt wird, werden diese Elektronen aus den Defekten, oder Fallen, wie wir sie gewöhnlich nennen, wieder freigesetzt. Ein Teil der freigesetzten Elektronen kehrt in die Leuchtzentren zurück, was zur Emission von Licht führt. Dies ist das Standard-Mechanolumineszenz-Verfahren. Ein Bruchteil der freigesetzten Elektronen wird jedoch auf andere Defektarten übertragen. Diese Defekte werden als 'tiefe Fallen' bezeichnet, da die Elektronen nicht leicht wieder freigesetzt werden, außer bei Verwendung von Infrarotlicht. Durch das Abtasten der Probenoberfläche mit einem infraroten Laserstrahl leuchten die Bereiche, in denen nach der Druckbeaufschlagung Elektronen gespeichert wurden, auf, sobald die Infrarot-Photonen sie aus ihren Fallen treten. Die Elektronen kehren zum Leuchtzentrum zurück und das Material leuchtet lokal wieder auf".

Die Kernaussage ist, dass verschiedene Arten von Defekten im lumineszierenden Material unterschiedlich auf Reize wie Wärme, Druck oder Licht reagieren können. Auf diese Weise können Elektronen durch Druck bewegt werden - der "Schreibvorgang" - und dann mit optischen Mitteln "ausgelesen" werden. Da die tiefen Fallen sehr stabil sind, konnten die Forscher zeigen, dass das Signal auch nach drei Tagen Wartezeit zwischen den Schritten "Schreiben" und "Lesen" noch sichtbar ist. Aber die Arbeit der Forscher ist noch lange nicht abgeschlossen. Zum einen wollen sie die Empfindlichkeit des mechanolumineszenten Materials verbessern und die Schreib- und Lesebedingungen optimieren. Zum anderen wollen sie das Material zu spezifischen Anwendungen bringen, bei denen die Speicherfunktion optimal ausgenutzt werden kann. "Denken Sie an Komponenten von Gebäuden, Fahrzeugen oder Infrastruktur, bei denen eine ständige Überwachung nicht möglich ist", fügt Smet hinzu. "Darüber hinaus wird dieser Ansatz nicht nur die Entwicklung neuer druckanzeigender Materialien unterstützen. Diese Arbeit zeigte auch, dass die verantwortlichen Defekte im Energiespeicher- und Ausleseprozess nicht von einer einzigen Art sind. Diese Erkenntnis wird sich als vorteilhaft für die Entwicklung anderer lichtemittierender Materialien erweisen, bei denen die Forscher Defekte für andere Zwecke nutzen oder sogar versuchen, das Auftreten von Defekten zu unterdrücken. Denken Sie an LED-Lampen, die vielleicht noch effizienter in der Umwandlung von Strom in Licht sind, an heller leuchtende Materialien oder schneller schillernde Materialien, die in der medizinischen Bildgebung eingesetzt werden", prognostizieren die Wissenschaftler.

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