Ny glaskeramik udsender lys under mekanisk belastning

Forskere har skabt en ny glaskeramik, der udsender lys som reaktion på mekanisk stress, en egenskab kendt som mekanoluminescens. Med videreudvikling kunne det nye materiale bruges til at skabe en lyskilde, der tændes af mekanisk belastning. Dette kan være nyttigt til at overvåge stress i kunstige led i kroppen eller give advarsler om farlig stress eller brud i bygninger, broer og andre strukturer.

"De fleste materialer, der udviser mekanoluminescens, er blevet fremstillet som pulvere, som ikke er særlig alsidige," sagde forskerholdsleder Lothar Wondraczek fra Friedrich Schiller University Jena i Tyskland. "Vi designede et glaskeramisk materiale med mekanoluminescens, som gør det muligt at bruge glaslignende behandlingsmetoder til at danne praktisk talt enhver form - inklusive fiber, perler eller mikrosfærer - der kan inkorporeres i forskellige komponenter og enheder."

Forskningen er rapporteret i et særnummer af Optical Materials Express til fejring af FN's internationale glasår 2022, som fejrer den afgørende rolle, som glas spiller i samfundet.

Den nye meget gennemsigtige glaskeramik er lavet af chrom-dopet zinkgallat (ZGO) krystaller indlejret i en kaliumgermanat glasmatrix. Disse krystaller giver materialet dets mekanoluminescerende egenskaber, men er så små, at de ikke mærkbart påvirker glassets visuelle gennemsigtighed.

"Vores arbejde kan hjælpe mekanoluminescerende materialer med at finde udbredt brug i en række forskellige applikationer, herunder lysemitterende produktetiketter og sikkerhedskoder," sagde Wondraczek. "Det passer også godt med det internationale år for glas ved at demonstrere den brede alsidighed og uventede egenskaber ved glasagtige materialer."

Et mere praktisk materiale

Ud over at være vanskelige at forme til forskellige geometrier kræver mekanoluminescerende pulvere ekstra forarbejdningstrin såsom indkapsling i et matrixmateriale. For at skabe et mere praktisk materiale vendte forskerne sig til glaskeramik.

Glaskeramik er en forholdsvis ny type materiale, der består af et krystallinsk materiale indlejret i en glasmatrix. Krystallerne kan bruges til at give disse materialer meget specifikke egenskaber, mens glasmatricen gør, at de kan formes med mange af de samme processer, der bruges til glas.

Forskerne skabte den mekanoluminescerende glaskeramik ved at udvikle en usædvanlig hurtig og stabil krystallisationsproces, der tillader de små ZGO-krystaller at udfældes homogent inde i glasset, efter at det er blevet formet. De viste, at materialerne udsendte lys under mekanisk belastning ved at bruge kuglefaldstesten, en standardmetode til at give et materiale en kendt slagkraft. "Vi fandt ud af, at mekanoluminescensresponsen var reproducerbar og genopladelig, og at den udviste en direkte korrelation med slagenergien," sagde Wondraczek.

Nu hvor de har demonstreret materialets lysemitterende egenskaber, planlægger de at tilpasse glassammensætningen, så den kan formes til pladelignende objekter, optiske fibre og mikroskala sfæriske perler og derefter undersøge, hvordan disse kan bruges i komponenter og enheder. De har også til formål at udnytte andre egenskaber, der almindeligvis tilskrives glaskeramik - såsom termisk, kemisk og mekanisk stabilitet - for at få nye funktioner fra de glasagtige materialer. + Udforsk yderligere

Forskere forbereder nyt lavtsmeltende, nitrogenholdigt, stannochlorophosphatglas