Nowy materiał świeci bez baterii, prądu i kabli. Do tego jest tani

Wyobraź sobie materiał, który nie potrzebuje baterii, kabli ani diod, żeby wysłać sygnał. Wystarczy dotyk, nacisk, drganie albo odkształcenie, a zaczyna świecić. Naukowcy z Tohoku University, we współpracy z University of Tsukuba i Saga University, pokazali właśnie taki materiał oparty na zwykłym tlenku cynku.

Najciekawsze jest to, że nie użyli do tego metali ziem rzadkich, które często są drogie, problematyczne w wydobyciu i ważne dla wielu nowoczesnych technologii. Zamiast skomplikowanej mieszanki postawili na tani, powszechny związek znany m.in. z kosmetyków, maści i filtrów przeciwsłonecznych. Efekt może być ważny dla przyszłych czujników medycznych, infrastruktury i urządzeń działających bez własnego zasilania.

Zjawisko to określa się mianem mechanoluminescencji. Polega ono na emisji światła wywołanej działaniem siły mechanicznej, takiej jak nacisk, rozciąganie, uderzenie czy drgania. W przeciwieństwie do zjawisk związanych z odbijaniem światła materiał sam generuje sygnał optyczny, przekształcając część energii mechanicznej w promieniowanie.

Taki materiał może działać jak czujnik bez baterii. Jeśli element mostu, turbiny wiatrowej albo budynku zaczyna pracować pod naprężeniem, materiał mógłby pokazać ten problem światłem. Jeśli w ciele pacjenta znajduje się mały implant lub czujnik, można byłoby pobudzić go z zewnątrz słabymi drganiami, np. ultradźwiękami, i odczytać odpowiedź optyczną.

Do tej pory wysokowydajne materiały tego typu często wymagały metali ziem rzadkich albo bardziej złożonych składów. Japoński zespół twierdzi, że jako pierwszy uzyskał silną i bardzo czułą mechanoluminescencję w tlenku cynku bez takich dodatków.

Sam tlenek cynku tu oczywiście nie wystarczył. Naukowcy dodali do niego niewielką ilość sodu i bardzo precyzyjnie kontrolowali defekty struktury materiału. W języku materiałoznawców defekt nie musi oznaczać wady. Czasem to celowo wprowadzona niedoskonałość w sieci krystalicznej, która nadaje materiałowi nowe właściwości.

Mikroskopia elektronowa pokazała, że cząstki nowego materiału mają charakterystyczną, kraterowatą powierzchnię. Taka struktura może pomagać w przekształcaniu zewnętrznego nacisku w wewnętrzne naprężenie. Z kolei obliczenia wykonane na superkomputerze MASAMUNE-II wskazały, że śladowe ilości sodu tworzą stabilne defekty zdolne do tymczasowego magazynowania ładunku elektrycznego.

Istotne są też wakancje cynku, czyli miejsca, w których w sieci krystalicznej brakuje atomów cynku. To one odpowiadają za emisję w bliskiej podczerwieni. Razem te elementy sprawiają, że materiał potrafi świecić już pod naciskiem rzędu kilku kilopaskali, czyli mniej więcej takim, jaki daje lekkie dotknięcie palcem.

Kiedy mówimy, że materiał świeci, nie chodzi wyłącznie o efekt widoczny jak lampka w ciemności. Emisja tego tlenku cynku znajduje się w bliskiej podczerwieni. Ludzkie oko jej nie widzi, ale dobrze radzą sobie z nią odpowiednie detektory i kamery.

To wcale nie jest wada. Bliska podczerwień stosunkowo dobrze przenika przez tkanki biologiczne, dlatego jest bardzo cenna w medycynie i bioobrazowaniu. Jeśli materiał da się wykorzystać w miniaturowym czujniku, mógłby kiedyś reagować na nacisk albo drgania w organizmie, a sygnał byłby odczytywany bez konieczności montowania baterii w samym urządzeniu.

Podobny mechanizm można sobie wyobrazić w konstrukcjach inżynieryjnych. Farba, powłoka albo cienka warstwa materiału na elemencie mostu mogłaby emitować sygnał tam, gdzie pojawia się niepożądane naprężenie. Wtedy kamera lub detektor widziałby problem wcześniej niż człowiek zauważy pęknięcie.

Jedną z największych zalet tego rozwiązania jest to, że wszystko opiera się na tlenku cynku. To tani i dobrze znany materiał, który od lat wykorzystuje się w różnych zastosowaniach, a przy tym jest znacznie łatwiej dostępny niż związki zawierające metale ziem rzadkich. Oczywiście od laboratoryjnego odkrycia do gotowego produktu jeszcze daleka droga, ale już sam skład sprawia, że wdrożenie takiej technologii może być po prostu łatwiejsze.

W nowych technologiach czujnikowych liczy się nie tylko czułość. Liczą się też cena, trwałość, bezpieczeństwo, dostępność surowców i możliwość produkcji na większą skalę. Materiał, który wymaga drogich i rzadkich składników, może zostać świetnym eksperymentem laboratoryjnym, ale mieć problem z wyjściem do przemysłu.

Przeczytaj także:

Tlenek cynku jest już znany przemysłowi i nauce, a nowy efekt uzyskano przez precyzyjne domieszkowanie i kontrolę struktury, a nie przez budowanie niecodziennej chemicznej układanki od zera.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI