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Neuartige Glaskeramik leuchtet unter mechanischer Einwirkung

Spezielle Kristalle verleihen transparentem Werkstoff eine Mechanolumineszenz

Leuchtende Keramik
Dieses Stück Glaskeramik strahlt ein rötliches Licht ab, nachdem es mechanisch angeregt wurde. © Lothar Wondraczek / Universität Jena

Leuchten auf Druck: Ein neuartiges Material ist durchsichtig wie Glas, stabil wie eine Keramik und beginnt bei mechanischer Belastung zu leuchten. Möglich wird dies durch spezielle Kristalle, die in die Matrix dieser Glaskeramik eingebettet sind. Sie verleihen dem vielseitigen Werkstoff eine Mechanolumineszenz, der ihn bei Druck aufleuchten lässt. Dadurch lässt sich diese Glaskeramik beispielsweise als Anzeiger für mechanische Belastung einsetzen.

Für einige Lebewesen spielt die Biolumineszenz eine wichtige Rolle. Sie erzeugen durch biochemische Prozesse Licht, das ihnen zur Kommunikation, Orientierung oder Tarnung dient. Aber auch Minerale und andere Feststoffe können eine Lumineszenz zeigen. Diese kann durch chemische Prozesse, Strahlung oder auch elektrischen Strom ausgelöst werden. Es gibt aber auch Stoffe, die durch mechanische Prozesse wie Reibung oder Kompression zum Leuchten gebracht werden – in diesem Fall spricht man von Mechanolumineszenz.

Kristalle übertragen Eigenschaften auf Glas

„Die meisten Materialien, die Mechanolumineszenz zeigen, gibt es aber nur als Puder, was nicht besonders vielseitig einsetzbar ist“, sagt Seniorautor Lothar Wondraczek von der Universität Jena. Gemeinsam mit Erstautor Jiangkun Cao und weiteren Kollegen hat er ein unter mechanischem Stress leuchtendes Material entwickelt, das die Eigenschaften einer festen Glaskeramik besitzt. Diese relativ neuartigen Materialien bestehen aus kristallinen Strukturen, die in eine Glasmatrix integriert werden und je nach Kristall unterschiedliche Eigenschaften besitzen können.

Zu diesen Eigenschaften zählt auch die Mechanolumineszenz, die in den Versuchen der Wissenschaftler von chromdotierten Zinkgallat-Kristallen in die Glasmatrix eingebracht wurde. Neben ihrer leuchtenden Eigenschaft besitzen diese Kristalle den Vorteil, dass sie sehr klein sind. Dadurch bleibt das Glas, in das die Kristalle eingebracht werden, größtenteils transparent. Als Glasmatrix nutzen die Forscher Kaliumgermanat, eine Verbindung aus Kalium und einem Germaniumoxid.

Um die beiden Stoffe zu vereinen, entwickelte das Team einen schnellen und stabilen Kristallisationsprozess. Dieser nutzt eine homogene Keimbildung und ein sehr begrenztes Temperaturfenster, um die Wachstumsrate möglichst gering zu halten. Dadurch konnten sie eine hohe Kristallzahldichte von über 1023 Kristallen pro Kubikmeter zu erzeugen.

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Lichtintensität korreliert mit mechanischer Energie

Als Ergebnis ihrer Arbeit erhielt das Team um Cao ein Material, das einerseits sehr stabil und transparent ist und andererseits unter mechanischem Stress Licht absondert. Um die Mechanolumineszenz näher zu charakterisieren ließen sie eine etwa 16 Gramm schwere Stahlkugel aus verschiedenen Höhen auf die Glaskeramik fallen. „Wir fanden heraus, dass die mechanolumineszente Reaktion reproduzierbar ist und es eine direkte Korrelation mit der Aufprall-Energie gibt“, erklärt Wondraczek.

Bei mehreren aufeinanderfolgenden Kugelstößen nahm die abgegebene Intensität der Lumineszenz jedoch ab. „Wenn wir das Material zwischen den Wiederholungen allerdings ultraviolett beleuchtet und dadurch aufgeladen haben, zeigte dieselbe Probe eine wiederkehrende mechanolumineszente Reaktion“, berichten die Wissenschaftler.

Künstliche Gelenke, Gebäude, Sicherheitscodes

Eine große Hoffnung setzen die Wissenschaftler auf die flexiblen Einsatzmöglichkeiten, die das neuartige Material durch das Kaliumgermanat erhält. „Wir haben eine mechanolumineszente Glaskeramik entwickelt, die uns glasähnliche Verarbeitungsmethoden erlaubt“, sagt Wondraczek. „Dadurch kann sie in nahezu allen Formen – inklusive Fasern, Perlen oder Mikrosphären – verwendet werden, die dann in verschiedensten Komponenten und Geräten eingebaut werden können.“

So kann sich das Team vorstellen, ihr Material zukünftig etwa in künstlichen Gelenken im menschlichen Körper einzusetzen, um dort die mechanische Belastung zu überwachen. Auch in Gebäuden oder Brücken könnte die Glaskeramik an sensiblen Stellen für ein besseres Monitoring sorgen: Ihr Leuchten zeigt das Ausmaß der mechanischen Belastung an. „Unsere Arbeit kann dabei helfen, mechanolumineszente Materialien in eine Vielzahl von Anwendungen zu integrieren. Dazu könnten auch lichtemittierende Produktkennzeichnungen oder Sicherheitscodes zählen“, so Wondraczek. (Optical Materials Express, 2022; doi: 10.1364/OME.459185)

Quelle: Optica

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