Forskare från EPFL, Tyskland och Frankrike har avslöjat en ny egenskap hos det billiga och rikliga materialet anatas titandioxid, som lovar applikationer som medium för rumstemperatur nanosensorer av mekanisk stress med en optisk avläsning.

Att mäta mekanisk stress i nanovärlden är en stor utmaning inom materialvetenskap och ingenjörskonst. Nyckeln till detta framsteg är förmågan att kombinera billiga material i nanostorlek som reagerar på mekanisk påfrestning och enkla detekteringsscheman. En lovande väg skulle innebära utveckling av sensorer med optisk avläsning. Dock, det finns inga kända nanomaterial som ändrar sina ljusabsorberande egenskaper vid applicering av mekanisk stress på ett enkelt och förutsägbart sätt, speciellt vid rumstemperatur. Sådana material skulle vara extremt användbara i ett antal avkänningsapplikationer, allt från biovetenskap till metrologi.

I en twist, Majed Cherguis labb vid EPFL inom Lausanne Center for Ultrafast Science, i samarbete med de teoretiska grupperna Angel Rubio vid Max-Planck (Hamburg) och Pascal Ruello vid Université de Le Mans, har visat att nanopartiklar av anataspolymorfen av titandioxid kan revolutionera området.

Titandioxid är ett billigt och rikligt material som redan används i en mängd olika applikationer som solceller, fotokatalys, transparenta ledande substrat, Solskydd, målar, vatten och luftrening. Med deras senaste upptäckt, publiceras i Nanobokstäver , Chergui och hans kollegor visar att titandioxid är den mest lovande kandidaten för utveckling av rumstemperatursensorer för töjning på nanoskala och med en optisk avläsning.

I sina experiment, forskarna lanserade en mekanisk spänningsvåg inuti titandioxidnanopartiklar vid rumstemperatur och övervakade deras optiska respons i närheten av materialets huvudsakliga absorptionsband, kallas en "exciton". De fann att den senare genomgår en förändring av intensiteten under den applicerade mekaniska påfrestningen. Detta enkla svar strider mot beteendet hos alla kända material, vars optiska svar på mekanisk stress är komplexa och oförutsägbara. Dessa nya rön banar vägen för utvecklingen av sensorer med en optisk avläsning baserad på en enda laserfrekvens avstämd till excitonresonansen.

Med tanke på att titandioxid redan är inbäddad i ett stort antal enheter och det finns bred expertis tillgänglig för att kombinera den med andra system, dessa fynd lovar en ny generation optiska sensorer för mekanisk spänning på nanoskala.

"Denna observation möjliggjordes tack vare våra nya ultrasnabba lasertekniker i djup-ultraviolett. Vi förväntar oss att vår experimentella metod kommer att leda till ännu fler spännande upptäckter i nanovärlden inom en snar framtid, " säger Edoardo Baldini (artikelns första författare, nu på MIT).