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Jun 25, 2023

Neues Glas

26. Juli 2022 von Optica Forscher haben eine neue Glaskeramik entwickelt, die als Reaktion auf mechanische Belastung Licht emittiert, eine Eigenschaft, die als Mechanolumineszenz bekannt ist. Mit der Weiterentwicklung wird das Neue

26. Juli 2022

von Optica

Forscher haben eine neue Glaskeramik entwickelt, die als Reaktion auf mechanische Belastung Licht emittiert, eine Eigenschaft, die als Mechanolumineszenz bekannt ist. Mit einer Weiterentwicklung könnte aus dem neuen Material eine Lichtquelle entstehen, die durch mechanische Belastung eingeschaltet wird. Dies könnte nützlich sein, um die Belastung künstlicher Gelenke im Körper zu überwachen oder vor gefährlicher Belastung oder Brüchen in Gebäuden, Brücken und anderen Bauwerken zu warnen.

„Die meisten Materialien, die Mechanolumineszenz zeigen, wurden als Pulver hergestellt, die nicht sehr vielseitig einsetzbar sind“, sagte Forschungsteamleiter Lothar Wondraczek von der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Deutschland. „Wir haben ein Glaskeramikmaterial mit Mechanolumineszenz entwickelt, das die Verwendung glasähnlicher Verarbeitungsansätze zur Bildung praktisch jeder Form – einschließlich Fasern, Perlen oder Mikrokugeln – ermöglicht, die in verschiedene Komponenten und Geräte integriert werden kann.“

Über die Forschung wird in einer Sonderausgabe von Optical Materials Express anlässlich des Internationalen Jahres des Glases 2022 der Vereinten Nationen berichtet, in der die wesentliche Rolle von Glas in der Gesellschaft gewürdigt wird.

Die neue hochtransparente Glaskeramik besteht aus chromdotierten Zinkgallat-Kristallen (ZGO), eingebettet in eine Kaliumgermanat-Glasmatrix. Diese Kristalle verleihen dem Material seine mechanolumineszierenden Eigenschaften, sind jedoch so klein, dass sie die visuelle Transparenz des Glases nicht wesentlich beeinträchtigen.

„Unsere Arbeit könnte dazu beitragen, dass mechanolumineszierende Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet sind, einschließlich lichtemittierender Produktetiketten und Sicherheitscodes“, sagte Wondraczek. „Es passt auch gut zum Internationalen Jahr des Glases, indem es die große Vielseitigkeit und unerwarteten Eigenschaften glasartiger Materialien demonstriert.“

Mechanolumineszierende Pulver lassen sich nicht nur schwer in verschiedene Geometrien formen, sondern erfordern auch zusätzliche Verarbeitungsschritte wie die Einkapselung in ein Matrixmaterial. Um ein praktischeres Material zu schaffen, wandten sich die Forscher der Glaskeramik zu.

Glaskeramik ist ein relativ neuer Materialtyp, der aus einem kristallinen Material besteht, das in eine Glasmatrix eingebettet ist. Die Kristalle können verwendet werden, um diesen Materialien sehr spezifische Eigenschaften zu verleihen, während die Glasmatrix es ermöglicht, sie mit vielen der gleichen Verfahren zu formen, die auch für Glas verwendet werden.

Die Forscher schufen die mechanolumineszierende Glaskeramik, indem sie einen außergewöhnlich schnellen und stabilen Kristallisationsprozess entwickelten, der es den winzigen ZGO-Kristallen ermöglicht, sich nach der Formung homogen im Glas auszuscheiden. Sie zeigten, dass die Materialien unter mechanischer Belastung Licht emittieren, indem sie den Kugelfalltest verwendeten, eine Standardmethode, um einem Material eine bekannte Aufprallkraft zu verleihen. „Wir fanden heraus, dass die Mechanolumineszenz-Reaktion reproduzierbar und wiederaufladbar war und eine direkte Korrelation mit der Aufprallenergie aufwies“, sagte Wondraczek.

Nachdem sie nun die lichtemittierenden Eigenschaften des Materials demonstriert haben, planen sie, die Glaszusammensetzung so anzupassen, dass daraus folienartige Objekte, optische Fasern und mikroskalige sphärische Perlen geformt werden können, und anschließend zu untersuchen, wie diese in Komponenten und Geräten verwendet werden könnten. Sie zielen auch darauf ab, andere Eigenschaften zu nutzen, die Glaskeramik üblicherweise zugeschrieben werden – etwa thermische, chemische und mechanische Stabilität –, um den glasartigen Materialien neue Funktionen zu verleihen.

Mehr Informationen: Jiangkun Cao et al, Mechanolumineszenz aus hochtransparenter ZGO:Cr-Spinell-Glaskeramik, Optical Materials Express (2022). DOI: 10.1364/OME.459185

Zeitschrifteninformationen:Express für optische Materialien

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