Titandioxid som en nanoskala sensor for mekanisk belastning

Forskere fra EPFL, Tyskland og Frankrig har afsløret en ny ejendom af det billige og rigelige materiale anatase titandioxid, som lover applikationer som et medium for stuetemperatur-nanosensorer af mekanisk belastning med en optisk udlæsning.

Måling af mekanisk stress i nano-verdenen er en stor udfordring inden for materialevidenskab og teknik. Nøglen til dette fremskridt er evnen til at kombinere billige materialer i nano-størrelse, der reagerer på mekanisk belastning og enkle detektionsordninger. En lovende rute ville indebære udvikling af sensorer med en optisk udlæsning. Imidlertid, der er ingen kendte nanomaterialer, der ændrer deres lysabsorberende egenskaber ved påføring af mekanisk belastning på en enkel og forudsigelig måde, især ved stuetemperatur. Sådanne materialer ville være yderst nyttige i en række sanseapplikationer, lige fra biovidenskab til metrologi.

I et twist, laboratoriet af Majed Chergui på EPFL i Lausanne Center for Ultrafast Science, i samarbejde med de teoretiske grupper af Angel Rubio på Max-Planck (Hamborg) og Pascal Ruello ved Université de Le Mans, har vist, at nanopartikler af anatasepolymorfen af ​​titandioxid kan revolutionere feltet.

Titandioxid er et billigt og rigeligt materiale, der allerede bruges i en lang række applikationer, f.eks. Fotovoltaik, fotokatalyse, gennemsigtige ledende underlag, solcreme, maling, vand- og luftrensning. Med deres nylige opdagelse, udgivet i Nano bogstaver , Chergui og hans kolleger viser, at titandioxid er den mest lovende kandidat til udvikling af rumtemperaturfølere af belastning på nanoskala og med en optisk aflæsning.

I deres eksperimenter, forskerne lancerede en mekanisk spændingsbølge inde i titandioxid -nanopartikler ved stuetemperatur og overvågede deres optiske reaktion i nærheden af ​​materialets vigtigste absorptionsbånd, kaldet en "exciton". De fandt ud af, at sidstnævnte undergår en ændring af intensiteten under den påførte mekaniske belastning. Dette enkle svar er i modstrid med opførslen af ​​alle kendte materialer, hvis optiske reaktioner på mekanisk stress er komplekse og uforudsigelige. Disse nye fund baner vejen til udvikling af sensorer med en optisk udlæsning baseret på en enkelt laserfrekvens indstillet til excitonresonansen.

I betragtning af at titandioxid allerede er integreret i en lang række enheder, og der er bred ekspertise til rådighed for at kombinere det med andre systemer, disse fund lover en ny generation af optiske sensorer for mekanisk belastning på nanoskalaen.

"Denne observation blev muliggjort takket være vores nye ultrahurtige laserteknikker i dyb-ultraviolet. Vi forventer, at vores eksperimentelle metode vil føre til endnu mere spændende opdagelser i nano-verdenen i den nærmeste fremtid, "siger Edoardo Baldini (artiklens første forfatter, nu på MIT).