La nouvelle vitrocéramique émet de la lumière lorsqu’elle est soumise à des contraintes mécaniques

Des chercheurs ont créé une nouvelle vitrocéramique qui émet de la lumière en réponse à des contraintes mécaniques, une propriété connue sous le nom de mécanoluminescence. Avec un développement ultérieur, le nouveau matériau pourrait être utilisé pour créer une source de lumière qui est allumée par une contrainte mécanique. Cela pourrait être utile pour surveiller le stress dans les articulations artificielles du corps ou pour fournir des avertissements de stress dangereux ou de fractures dans les bâtiments, les ponts et autres structures.

« La plupart des matériaux présentant une mécanoluminescence ont été fabriqués sous forme de poudres, qui ne sont pas très polyvalentes », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Lothar Wondraczek de l’Université Friedrich Schiller de Jena en Allemagne. « Nous avons conçu un matériau en vitrocéramique avec mécanoluminescence, qui permet d’utiliser des approches de traitement de type verre pour former pratiquement n’importe quelle forme, y compris des fibres, des billes ou des microsphères, qui peuvent être incorporées dans divers composants et dispositifs. »

La recherche fait l’objet d’un numéro spécial de Matériaux optiques Express commémorant l’Année internationale du verre 2022 des Nations Unies, qui célèbre le rôle essentiel que joue le verre dans la société.

La nouvelle vitrocéramique hautement transparente est fabriquée à partir de cristaux de gallate de zinc dopés au chrome (ZGO) intégrés dans une matrice de verre au germanate de potassium. Ces cristaux confèrent au matériau ses propriétés mécanoluminescentes mais sont si petits qu’ils n’affectent pas notablement la transparence visuelle du verre.

« Notre travail pourrait aider les matériaux mécanoluminescents à être largement utilisés dans une variété d’applications, y compris les étiquettes de produits émettant de la lumière et les codes de sécurité », a déclaré Wondraczek. « Il s’inscrit également dans le cadre de l’Année internationale du verre en démontrant la grande polyvalence et les propriétés inattendues des matériaux vitreux. »

Un matériel plus pratique

En plus d’être difficiles à former dans diverses géométries, les poudres mécanoluminescentes nécessitent des étapes de traitement supplémentaires telles que l’encapsulation dans un matériau de matrice. Pour créer un matériau plus pratique, les chercheurs se sont tournés vers la vitrocéramique.

La vitrocéramique est un type de matériau relativement nouveau qui consiste en un matériau cristallin intégré dans une matrice de verre. Les cristaux peuvent être utilisés pour donner à ces matériaux des propriétés très spécifiques tandis que la matrice de verre leur permet d’être façonnés avec de nombreux procédés identiques à ceux utilisés pour le verre.

Les chercheurs ont créé la vitrocéramique mécanoluminescente en développant un processus de cristallisation exceptionnellement rapide et stable qui permet aux minuscules cristaux de ZGO de précipiter de manière homogène à l’intérieur du verre après sa mise en forme. Ils ont montré que les matériaux émettaient de la lumière sous contrainte mécanique en utilisant le test de chute de balle, un moyen standard de conférer une force d’impact connue à un matériau. « Nous avons constaté que la réponse de mécanoluminescence était reproductible et rechargeable et qu’elle présentait une corrélation directe avec l’énergie d’impact », a déclaré Wondraczek.

Maintenant qu’ils ont démontré les propriétés électroluminescentes du matériau, ils prévoient d’adapter la composition du verre afin qu’il puisse être transformé en objets en forme de feuille, en fibre optique et en billes sphériques à l’échelle microscopique, puis d’explorer comment ceux-ci pourraient être utilisés dans des composants et des dispositifs. Ils visent également à exploiter d’autres caractéristiques communément attribuées à la vitrocéramique, telles que la stabilité thermique, chimique et mécanique, pour obtenir de nouvelles fonctions des matériaux vitreux.