Spændende lysudsendelse og måling af temperatur med ultralyd

Hvis mekanoluminescerende materialer udsættes for ydre mekanisk belastning, udsender de synligt eller usynligt lys. En sådan excitation kan fx opstå på grund af bøjning eller blidt tryk, men også helt kontaktfrit gennem ultralyd. På denne måde kan effekten udløses eksternt, og lys kan bringes til steder, der normalt har tendens til at være i mørke, for eksempel i menneskekroppen. Hvis ultralydsbehandlingen samtidig skal bruges til at generere lokal varme, er det vigtigt i et så følsomt miljø nøje at observere de temperaturer, der opstår. Materialeforskere ved Friedrich Schiller Universitetet i Jena, Tyskland har nu udviklet et mekanoluminescerende materiale, som ikke kun kan bruges til at generere en lokal varmetilførsel ved hjælp af ultralyd, men som samtidig giver feedback på den lokale temperatur. De rapporterer om deres forskningsresultater i dag i tidsskriftet Advanced Science .

Halvledere og sjældne jordarter

I deres arbejde beskæftiger Jena-forskerne sig ofte med uorganiske materialers mekaniske egenskaber, især hvordan man kan observere mekaniske processer optisk.

"Mekanisk induceret lysemission kan give os mange detaljer om et materiales reaktion på mekanisk stress," forklarer prof. Lothar Wondraczek fra University of Jena. "Men for at udvide anvendelsesområdet er det nogle gange også nødvendigt at indhente yderligere information om den lokale temperatur — især når excitationen udføres ved hjælp af ultralyd. Her var vi i første omgang interesserede i sensormaterialer i form af bl.a. ultrafine partikler, som - introduceret i miljøet, der skal studeres - kan give feedback information om, hvordan ultralyd interagerer med dette miljø."

Til dette formål har Jena-forskerne kombineret en oxysulfid-halvleder med den sjældne jordart erbiumoxid. Den halvledende struktur absorberer mekanisk energi leveret af ultralydsexcitation, hvor erbiumoxidet sørger for lysemissionen. Temperaturen kan derefter aflæses fra spektret af det udsendte lys ved hjælp af optisk termometri.

"Det betyder, at vi kan stimulere en temperaturstigning udefra, måle den ud fra karakteristika for lysudsendelse og dermed etablere et komplet kontrolkredsløb," forklarer Wondraczek.

Anvendelse i fotodynamisk terapi

Den fjernstyrede lysudsendelse, kombineret med temperaturstyring, kan åbne op for helt nye anvendelsesområder for sådanne mekanoluminescerende materialer, for eksempel inden for medicin. "Et muligt anvendelsesområde kunne være fotodynamisk terapi, hvor lys bruges til at kontrollere fotofysiske processer, der kan støtte organismen i heling," siger materialeforsker Wondraczek.

Med multi-responsive mekanoluminescerende materialer i form af meget fine partikler kunne der ikke kun genereres lys og varme på et ønsket sted, men de kunne også styres målrettet. Da biologisk væv er gennemsigtigt for det udsendte infrarøde lys, er det muligt at indstille og styre en ønsket temperatur udefra under behandlingen. "Men sådanne ideer er stadig meget i deres vorden. Der er stadig brug for meget omfattende forskning og undersøgelser for at omsætte dem i praksis."

Mere tilgængelige er andre applikationer, hvor lys og varme skal bringes til mørke steder på en målrettet måde. For eksempel kan fotosyntese eller andre lysdrevne reaktioner specifikt udløses, observeres og kontrolleres. Ligeledes kan materialet, tilbage til begyndelsen, bruges som en sensor til at generere eller observere materialeændringer, eller også som en usynlig, kodet markering på materialeoverflader. + Udforsk yderligere

Kaster nyt lys på styring af materialeegenskaber i solid-lag perovskite