Neue Glaskeramik gibt bei mechanischer Belastung Licht ab

Forscher haben eine neue Glaskeramik entwickelt, die als Reaktion auf mechanische Belastung Licht emittiert, eine Eigenschaft, die als Mechanolumineszenz bekannt ist. Mit der Weiterentwicklung des neuen Materials könnte man eine Lichtquelle schaffen, die durch mechanische Belastung eingeschaltet wird. Dies könnte nützlich sein, um die Belastung in künstlichen Gelenken im Körper zu überwachen oder Warnungen vor gefährlicher Belastung oder Brüchen in Gebäuden, Brücken und anderen Strukturen bereitzustellen.

„Die meisten Materialien, die Mechanolumineszenz zeigen, wurden als Pulver hergestellt, die nicht sehr vielseitig sind“, sagte Forschungsteamleiter Lothar Wondraczek von der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Deutschland. „Wir haben ein Glaskeramikmaterial mit Mechanolumineszenz entwickelt, das es ermöglicht, glasähnliche Verarbeitungsansätze zu verwenden, um praktisch jede Form – einschließlich Fasern, Perlen oder Mikrokugeln – zu formen, die in verschiedene Komponenten und Geräte eingebaut werden kann.“

Die Forschung wird in einer Sonderausgabe von berichtet Express für optische Materialien zum Gedenken an das Internationale Jahr des Glases 2022 der Vereinten Nationen, das die wesentliche Rolle feiert, die Glas in der Gesellschaft spielt.

Die neue hochtransparente Glaskeramik besteht aus chromdotierten Zinkgallat (ZGO)-Kristallen, die in eine Kaliumgermanat-Glasmatrix eingebettet sind. Diese Kristalle verleihen dem Material seine mechanolumineszierenden Eigenschaften, sind aber so klein, dass sie die visuelle Transparenz des Glases nicht merklich beeinträchtigen.

„Unsere Arbeit könnte dazu beitragen, dass mechanolumineszierende Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich lichtemittierender Produktetiketten und Sicherheitscodes, eine breite Anwendung finden“, sagte Wondraczek. „Es passt auch gut zum Internationalen Jahr des Glases, indem es die große Vielseitigkeit und unerwarteten Eigenschaften von glasartigen Materialien demonstriert.“

Ein praktischeres Material

Abgesehen davon, dass sie schwierig in verschiedene Geometrien zu formen sind, erfordern mechanolumineszierende Pulver zusätzliche Verarbeitungsschritte, wie beispielsweise das Einkapseln in ein Matrixmaterial. Um ein praktischeres Material zu schaffen, wandten sich die Forscher der Glaskeramik zu.

Glaskeramik ist ein relativ neuer Materialtyp, der aus einem kristallinen Material besteht, das in eine Glasmatrix eingebettet ist. Die Kristalle können verwendet werden, um diesen Materialien sehr spezifische Eigenschaften zu verleihen, während die Glasmatrix es ermöglicht, sie mit vielen der gleichen Prozesse zu formen, die für Glas verwendet werden.

Die Forscher schufen die mechanolumineszierende Glaskeramik, indem sie einen außergewöhnlich schnellen und stabilen Kristallisationsprozess entwickelten, der es den winzigen ZGO-Kristallen ermöglicht, sich nach der Formgebung homogen im Glas abzuscheiden. Sie zeigten, dass die Materialien unter mechanischer Belastung Licht emittieren, indem sie den Kugelfalltest verwendeten, eine Standardmethode, um einem Material eine bekannte Aufprallkraft zu verleihen. „Wir fanden heraus, dass die Mechanolumineszenz-Antwort reproduzierbar und wiederaufladbar war und dass sie eine direkte Korrelation mit der Aufprallenergie aufwies“, sagte Wondraczek.

Nachdem sie nun die lichtemittierenden Eigenschaften des Materials demonstriert haben, planen sie, die Glaszusammensetzung so anzupassen, dass sie zu plattenförmigen Objekten, optischen Fasern und sphärischen Kügelchen im Mikromaßstab geformt werden kann, und dann zu untersuchen, wie diese in Komponenten und Geräten verwendet werden könnten. Sie zielen auch darauf ab, andere Eigenschaften zu nutzen, die üblicherweise Glaskeramiken zugeschrieben werden – wie thermische, chemische und mechanische Stabilität – um neue Funktionen aus den glasartigen Materialien zu gewinnen.