Японские исследователи разработали новый тип материала на основе оксида цинка, который начинает светиться под воздействием давления, вибрации или деформации.
Ученые из Университета Тохоку в сотрудничестве с Университетом Цукубы и Университетом Сага продемонстрировали материал, способный преобразовывать механическую энергию в световой сигнал. Для активации достаточно лёгкого прикосновения, сжатия или вибрации, пишет Spider's Web.
Ключевая особенность разработки – её простота и низкая стоимость. В отличие от многих аналогов, в материале не используются редкоземельные металлы, которые являются дорогостоящими и сложными в добыче. Основой стал обычный оксид цинка – соединение, широко применяемое в косметике, мазях и солнцезащитных кремах.
Явление, лежащее в основе технологии, называется механолюминесценцией. Оно возникает, когда механическое воздействие – давление, растяжение или удар – преобразуется непосредственно в излучение света. То есть сам материал генерирует оптический сигнал, а не просто отражает свет.
В перспективе это может позволить создавать датчики без батарей: например, элементы мостов, зданий или турбин, которые будут "светиться" в местах чрезмерной нагрузки. Это позволило бы выявлять повреждения ещё до появления трещин.
Также эту технологию рассматривают для применения в медицине: миниатюрные имплантаты могли бы реагировать на внешние вибрации, а их световой сигнал считывался бы специальными детекторами.
Исследователи объясняют, что одного оксида цинка было недостаточно. В структуру добавили небольшое количество натрия и точно контролируемые дефекты кристаллической решетки. В материаловедении такие "дефекты" – не ошибки, а инструмент для придания новых свойств.
Электронная микроскопия показала сложную поверхность частиц, похожую на микрократеры, что помогает преобразовывать механическое давление во внутренние электрические процессы. Расчеты на суперкомпьютере показали, что следы натрия стабилизируют эти эффекты и позволяют накапливать заряд.
Особую роль играют вакансии цинка – "пустые места" в кристалле, которые обеспечивают излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Именно поэтому свечение не видно невооруженным глазом.
Хотя человеческий глаз не может увидеть это излучение, оно хорошо фиксируется датчиками и камерами. Ближний инфракрасный свет также способен проникать сквозь биологические ткани, что делает эту технологию перспективной для медицины и биовизуализации.
В будущем такие материалы могут использоваться в качестве покрытия для инженерных конструкций или в виде тонких сенсорных слоев, которые будут сигнализировать о нагрузке или повреждениях в режиме реального времени.
Учёные подчеркивают, что главный прорыв заключается не только в свойствах материала, но и в его составе. Оксид цинка является дешёвым, доступным и хорошо изученным, что значительно облегчает потенциальное масштабирование технологии.