Одной из целей материаловедения является разработка и оптимизация материалов, которые эффективно противостоят нагрузкам и деградации, чтобы обеспечить долговечность и безопасность конструкций и изделий. Недавно исследователи использовали механолюминесценцию для визуализации напряжения, испытываемого материалами, напечатанными в 3D с помощью чернил, состоящих из фторидных нанокристаллов, допированных лантанидом. Эта инновация может изменить дизайн инженерных конструкций и понимание механического напряжения, а также подчеркнуть технологический потенциал нанокристаллов и излучения света в ответ на напряжение.
Механолюминесценция — это особое явление, при котором материал излучает свет в ответ на механическую стимуляцию, такую как давление или напряжение. Хотя это явление известно уже давно, его применение для трехмерной визуализации напряжения является новинкой.
Визуализация напряжений — это метод, используемый для визуализации и измерения сил напряжения (давления, натяжения, растяжения и т.д.), действующих на объект или структуру. Это ценный инструмент во многих областях, включая машиностроение и материаловедение, где важно понять, как силы напряжения влияют на долговечность и эксплуатационные характеристики материалов и конструкций.
Эта область всегда стремилась понять, как материалы реагируют на приложенные силы, почему и как происходит разрушение объекта. Однако точное измерение распределения напряжений, особенно в непланарных структурах, представляет собой сложную задачу. Новая техника визуализации напряжений, представленная Ксухуи Ксу из Куньминского университета науки и технологии в Китае и его коллегами, может стать решением этой проблемы. Их работа опубликована в журнале .
Чернила для 3D-печати
Для достижения этой цели команда использовала фторидные нанокристаллы, легированные лантанидами. Лантаниды известны своим уникальным свойством люминесценции — способностью излучать свет при возбуждении. Каждый лантанид имеет уникальный спектр излучения, что означает, что при возбуждении он может излучать свет определенной длины волны.
В качестве лантанида используется тербий (Tb3+), который излучает зеленый свет. Он включен в нанокристаллы фторида, чтобы создать материал, который действует в ответ на механическую стимуляцию. С практической точки зрения, когда на эти материалы оказывается давление, они излучают свет, позволяя исследователям «видеть», где и как прикладывается напряжение, что может помочь понять, как материалы реагируют в различных условиях.
Подобные материалы уже были созданы, но они тонкие и плоские. Исследователи хотели создать материал достаточно толстый, чтобы показать, как на него действуют силы в трех пространственных измерениях. Поэтому нанокристаллы были использованы для создания чернил для 3D-печати, что позволило создать различные трехмерные структуры, например, кубы, собранные из крошечных сфер.
По словам авторов исследования, эти структуры содержат «глубокие ловушки». Это просто дефекты или неровности в кристаллической структуре материала, которые могут захватывать и удерживать электроны на более высоком энергетическом уровне, чем их основное состояние.
Эти ловушки могут быть созданы различными способами, например, примесями в материале, дефектами кристаллической решетки или даже радиацией. Именно поэтому исследователи подвергли эти структуры воздействию рентгеновских лучей, придав электронам внутри материала дополнительную энергию.
На самом деле, когда электрон в более высоком энергетическом состоянии оказывается в ловушке, он также изолируется от остального материала энергетическим барьером ловушки, своего рода энергетической «стеной», которая не позволяет электрону покинуть ее, как только он туда попал. Это понятие заимствовано из квантовой механики. Это означает, что электрон не может самостоятельно вернуться на более низкий энергетический уровень — ему необходимо определенное количество энергии, чтобы преодолеть барьер ловушки и освободиться.
В случае механолюминесценции эта энергия поступает от механической стимуляции, такой как давление или напряжение. Когда такое стимулирование применяется, оно обеспечивает энергию, необходимую для высвобождения электронов из ловушек. Освободившись, электроны могут вернуться на более низкий энергетический уровень. Избавляясь от избытка энергии, они излучают свет.
Многочисленные практические применения
Авторы объясняют, что они могут контролировать и прогнозировать световой отклик материала в зависимости от приложенной механической силы. Другими словами, чем больше давление на напечатанную структуру, тем ярче зеленый свет.
Это достижение имеет серьезные последствия для различных областей. Например, в машиностроении это может помочь оптимизировать проектирование конструкций и оценить прочность материалов. В медицине и биологии визуализация напряжения может помочь понять, как клетки и ткани реагируют на различные механические воздействия, например, при установке винтов или пластин при переломах.
Это исследование также подчеркивает важность лантанидов — ряда химических элементов, которые часто упускаются из виду. Лантаниды иногда называют «редкоземельными», хотя этот термин немного вводит в заблуждение, поскольку большинство лантанидов на самом деле в изобилии присутствуют в земной коре. Однако их добыча и переработка может представлять собой экологические и экономические проблемы.
Их использование в данном исследовании полностью демонстрирует их потенциал для других инновационных применений, от освещения и дисплеев до биомедицинских исследований, где они могут быть использованы для маркировки и визуализации конкретных клеток и тканей.