Світиться від контакту: науковці розробили недорогий матеріал, що виробляє світло без електричної енергії.

Японські вчені створили новий вид матеріалу на основі оксиду цинку, який починає світитися під впливом тиску, вібрації або деформації.

Науковці з Університету Тохоку у співпраці з Університетом Цукуби та Університетом Сага продемонстрували матеріал, здатний перетворювати механічну енергію на світловий сигнал. Для активації достатньо легкого дотику, стиснення або вібрації, повідомляє Spider’s Web.

Головна особливість цієї розробки – її простота та низька вартість. На відміну від багатьох аналогічних матеріалів, у цьому не використовуються рідкоземельні метали, які є дорогими та важкими у видобутку. Основою став звичайний оксид цинку – сполука, що широко застосовується в косметичних засобах, мазях та сонцезахисних кремах.

Явище, яке лежить в основі цієї технології, називається механолюмінесценцією. Воно виникає, коли механічна дія – тиск, розтягування або удар – безпосередньо перетворюється на випромінювання світла. Тобто сам матеріал генерує оптичний сигнал, а не просто відбиває світло.

У майбутньому це може дозволити створювати датчики без батарей: наприклад, елементи мостів, будівель або турбін, які “світитимуться” у зонах надмірного навантаження. Це дозволить виявляти пошкодження ще до появи тріщин.

Також цю технологію розглядають для медичних цілей: мініатюрні імпланти могли б реагувати на зовнішні вібрації, а їхній світловий сигнал зчитувався б спеціальними детекторами.

Як функціонує новий матеріал

Дослідники зазначають, що одного оксиду цинку було недостатньо. У структуру додали невелику кількість натрію та точно контрольовані дефекти кристалічної решітки. У матеріалознавстві такі “дефекти” є не помилками, а інструментом для надання нових властивостей.

Електронна мікроскопія показала складну поверхню частинок, схожу на мікрократери, що сприяє перетворенню механічного тиску на внутрішні електричні процеси. Розрахунки на суперкомп’ютері продемонстрували, що сліди натрію стабілізують ці ефекти та дозволяють накопичувати заряд.

Особливу роль відіграють вакансії цинку – “порожні місця” в кристалі, які забезпечують випромінювання у ближньому інфрачервоному діапазоні. Саме тому світіння не видно неозброєним оком.

Світло, яке бачать лише камери

Хоча людське око не може зафіксувати це випромінювання, воно добре сприймається сенсорами та камерами. Ближнє інфрачервоне світло також здатне проникати через біологічні тканини, що робить цю технологію перспективною для медицини та біовізуалізації.

У майбутньому такі матеріали можуть використовуватися як покриття для інженерних конструкцій або як тонкі сенсорні шари, які сигналізуватимуть про навантаження чи пошкодження в реальному часі.

Науковці підкреслюють, що головний прорив полягає не лише у властивостях матеріалу, а й у його складі. Оксид цинку є доступним, недорогим і добре вивченим, що значно полегшує потенційне масштабування технології.