Émission de lumière passionnante et mesure de la température avec des ultrasons

Si les matériaux mécanoluminescents sont soumis à des contraintes mécaniques externes, ils émettent de la lumière visible ou invisible. Une telle excitation peut se produire en raison d’une flexion ou d’une légère pression, par exemple, mais aussi complètement sans contact grâce aux ultrasons. De cette façon, l’effet peut être déclenché à distance et la lumière peut être apportée à des endroits qui ont normalement tendance à être dans l’obscurité, par exemple dans le corps humain. Si le traitement par ultrasons doit être utilisé en même temps pour générer de la chaleur locale, il est important dans un environnement aussi sensible d’observer de près les températures qui se produisent. Les scientifiques des matériaux de l’Université Friedrich Schiller de Jena, en Allemagne, ont maintenant développé un matériau mécanoluminescent qui peut non seulement être utilisé pour générer un apport de chaleur local au moyen d’ultrasons, mais qui fournit également une rétroaction sur la température locale en même temps. Ils rendent compte aujourd’hui des résultats de leurs recherches dans la revue Sciences avancées.

Semi-conducteurs et terres rares

Dans leurs travaux, les scientifiques de Jena traitent souvent des propriétés mécaniques des matériaux inorganiques, en particulier de la manière dont on peut observer optiquement les processus mécaniques.

« L’émission de lumière induite mécaniquement peut nous fournir de nombreux détails sur la réponse d’un matériau à une contrainte mécanique », explique le professeur Lothar Wondraczek de l’université d’Iéna. « Mais pour élargir le champ des applications, il est parfois aussi nécessaire d’obtenir des informations supplémentaires sur la température locale, notamment lorsque l’excitation est réalisée au moyen d’ultrasons. Ici, nous nous sommes d’abord intéressés aux matériaux des capteurs sous forme de des particules ultra-fines, qui, introduites dans l’environnement à étudier, peuvent fournir des informations de rétroaction sur la façon dont les ultrasons interagissent avec cet environnement. »

Pour cela, les chercheurs de Jena ont combiné un semi-conducteur oxysulfure avec l’oxyde d’erbium de terre rare. La structure semi-conductrice absorbe l’énergie mécanique apportée par l’excitation ultrasonore, l’oxyde d’erbium assurant l’émission lumineuse. La température peut alors être lue à partir du spectre de la lumière émise au moyen d’une thermométrie optique.

« Cela signifie que nous pouvons stimuler une augmentation de température depuis l’extérieur, la mesurer à partir des caractéristiques d’émission lumineuse, et ainsi établir un circuit de contrôle complet », explique Wondraczek.

Application en thérapie photodynamique

L’émission lumineuse télécommandée, associée au contrôle de la température, pourrait ouvrir de tout nouveaux domaines d’application pour de tels matériaux mécanoluminescents, par exemple en médecine. « Un domaine d’application possible pourrait être la thérapie photodynamique, dans laquelle la lumière est utilisée pour contrôler les processus photophysiques qui peuvent aider l’organisme à guérir », explique le scientifique des matériaux Wondraczek.

Avec des matériaux mécanoluminescents multi-réactifs sous forme de particules très fines, non seulement la lumière et la chaleur pourraient être générées à un endroit souhaité, mais elles pourraient également être contrôlées de manière ciblée. Comme le tissu biologique est transparent à la lumière infrarouge émise, il est possible de régler et de contrôler une température souhaitée de l’extérieur pendant le traitement. « Cependant, de telles idées en sont encore à leurs balbutiements. Des recherches et des études très approfondies sont encore nécessaires pour les mettre en pratique. »

Plus accessibles sont d’autres applications dans lesquelles la lumière et la chaleur doivent être amenées dans des endroits sombres de manière ciblée. Par exemple, la photosynthèse ou d’autres réactions induites par la lumière pourraient être spécifiquement déclenchées, observées et contrôlées. De même, en remontant au début, le matériau peut être utilisé comme capteur pour générer ou observer des changements de matériau, ou également comme un marquage invisible et codé sur les surfaces matérielles.