Om mekanoluminiscerande material utsätts för yttre mekanisk påfrestning avger de synligt eller osynligt ljus. Sådan excitation kan uppstå på grund av till exempel böjning eller lätt tryck, men också helt kontaktfritt genom ultraljud. På så sätt kan effekten utlösas på distans och ljus kan föras till platser som normalt brukar vara i mörker, till exempel i människokroppen. Om ultraljudsbehandlingen ska användas samtidigt för att generera lokal värme är det viktigt att i en så känslig miljö noga observera de temperaturer som uppstår. Materialforskare vid Friedrich Schiller University Jena, Tyskland har nu utvecklat ett mekanoluminescerande material som inte bara kan användas för att generera en lokal värmeinmatning med hjälp av ultraljud, utan också ger feedback på den lokala temperaturen samtidigt. De rapporterar om sina forskningsresultat i dag i tidskriften Advanced Science .

Halvledare och sällsynta jordartsmetaller

I sitt arbete behandlar Jena-forskarna ofta de mekaniska egenskaperna hos oorganiska material, i synnerhet med hur man kan observera mekaniska processer optiskt.

"Mekaniskt inducerad ljusemission kan ge oss många detaljer om ett materials svar på mekanisk stress", förklarar prof. Lothar Wondraczek vid University of Jena. "Men för att utöka användningsområdet är det ibland också nödvändigt att inhämta ytterligare information om den lokala temperaturen — särskilt när exciteringen utförs med hjälp av ultraljud. Här var vi från början intresserade av sensormaterial i form av ultrafina partiklar, som introduceras i miljön som ska studeras kan ge feedback information om hur ultraljud interagerar med denna miljö."

För detta ändamål har Jena-forskarna kombinerat en oxisulfidhalvledare med den sällsynta jordartsmetallen erbiumoxid. Den halvledande strukturen absorberar mekanisk energi från ultraljudsexcitation, med erbiumoxiden som ger ljusemissionen. Temperaturen kan sedan avläsas från spektrumet av det emitterade ljuset med hjälp av optisk termometri.

"Detta innebär att vi kan stimulera en temperaturökning utifrån, mäta den utifrån egenskaperna för ljusemission och på så sätt etablera en komplett styrkrets", förklarar Wondraczek.

Tillämpning i fotodynamisk terapi

Den fjärrstyrda ljusemissionen i kombination med temperaturkontroll skulle kunna öppna upp för helt nya användningsområden för sådana mekanoluminiscerande material, till exempel inom medicin. "Ett möjligt användningsområde kan vara fotodynamisk terapi, där ljus används för att kontrollera fotofysiska processer som kan stödja organismen i läkning", säger materialforskaren Wondraczek.

Med multiresponsiva mekanoluminescerande material i form av mycket fina partiklar kunde inte bara ljus och värme genereras på en önskad plats, utan de kunde också styras på ett riktat sätt. Eftersom biologisk vävnad är transparent för det infraröda ljuset som sänds ut är det möjligt att ställa in och styra en önskad temperatur utifrån under behandlingen. "Men sådana idéer är fortfarande mycket i sin linda. Mycket omfattande forskning och studier behövs fortfarande för att omsätta dem i praktiken."

Mer tillgängliga är andra applikationer där ljus och värme måste föras till mörka platser på ett riktat sätt. Till exempel kan fotosyntes eller andra ljusdrivna reaktioner specifikt utlösas, observeras och kontrolleras. På samma sätt kan materialet, tillbaka till början, användas som en sensor för att generera eller observera materialförändringar, eller också som en osynlig, kodad markering på materialytor. + Utforska vidare

Sänder nytt ljus över styrning av materialegenskaper i solid-layered perovskite