Emisja światła kojarzy się zwykle z przepływem prądu, reakcją chemiczną albo ogrzewaniem ciała do wysokiej temperatury. Może jednak pojawić się także podczas łamania, ściskania lub tarcia materiału. Zjawisko to nazywa się mechanoluminescencją. Fizycy od dawna obserwują je podczas kruszenia niektórych kryształów, m.in. cukru, oraz odrywania taśmy klejącej. W codziennych warunkach emitowane światło jest jednak zwykle zbyt słabe, by łatwo je zauważyć. Przejście od takiego laboratoryjnego efektu do użytecznego czujnika nie jest proste.

Międzynarodowy zespół kierowany przez dr Justynę Barzowską i dr. hab. Sebastiana Mahlika z Uniwersytetu Gdańskiego zbadał azotek glinu domieszkowany jonami manganu, oznaczany jako AlN:Mn2+. W pracach uczestniczyli też naukowcy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk oraz Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, a także partnerzy z Belgii, Chin i Stanów Zjednoczonych.

Sam azotek glinu jest twardym, stabilnym chemicznie półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej, stosowanym m.in. w elektronice. Wprowadzone do jego sieci jony manganu pełnią funkcję centrów luminescencyjnych, czyli miejsc odpowiedzialnych za emisję światła. W kontekście budowy czujnika ważne są także drobne defekty kryształu – miejsca, w których regularny układ atomów jest zaburzony. Po naświetleniu materiału mogą się w nich zatrzymać nośniki ładunku, m.in. elektrony, dzięki czemu część dostarczonej energii zostaje czasowo zmagazynowana. Ogrzanie lub odkształcenie kryształu może uwolnić te ładunki. Przekazują one energię jonom manganu, wywołując słabe pomarańczowe błyski światła. Pomiary wspierają taki opis mechanizmu, choć nie wszystkie jego szczegóły są jeszcze poznane.

Ciekawe zastosowanie taki materiał odnajduje w wizualizacji fal akustycznych. Dźwięk jest falą mechaniczną, która podczas rozchodzenia się w ośrodku wprawia jego cząstki w drgania. Gdy ultradźwięki docierają do badanego materiału, powodują następujące po sobie ściskanie i rozciąganie jego ziaren. Takie odkształcenia mogą uwalniać uwięzione ładunki i wywoływać luminescencję. Dzięki temu widoczny staje się obszar materiału poddany działaniu skupionej wiązki ultradźwięków. Podobny efekt wywołuje uderzenie lub tarcie. W części doświadczeń materiał najpierw naświetlano promieniowaniem ultrafioletowym, aby zgromadzić w nim energię wykorzystywaną później częściowo podczas emisji.

Artykuł z wynikami prac badawczych ukazał się w czasopiśmie „Science Advances”.

Materiał wykazywał kilka rodzajów luminescencji: świecił po wzbudzeniu światłem, zachowywał poświatę po wyłączeniu źródła, reagował na ogrzewanie oraz na tarcie, uderzenia i ultradźwięki. Naukowcy umieścili jego drobiny także w elastycznym polimerze. Na takiej folii można było uwidocznić ślad pisania, zginania i rozciągania. Skupiona wiązka ultradźwięków pozostawiała natomiast świecący wzór odpowiadający obszarowi działania fali. W ten sposób rozkład oddziaływań mechanicznych można było rejestrować optycznie.

Możliwość uzyskania przestrzennego obrazu naprężeń jest ważniejsza od samego świecenia. Powłoka z luminoforem mogłaby w przyszłości wskazywać miejsca przeciążenia elementu konstrukcji, rejestrować nacisk na elastycznej elektronice albo pomagać w odwzorowaniu pola ultradźwiękowego. Badacze wymieniają też zdalne czujniki, zabezpieczenia przed podrabianiem i zastosowania biomedyczne. Są to jednak dopiero potencjalne kierunki dalszych badań. Przed praktycznym użyciem trzeba określić m.in. czułość i trwałość kompozytu, zależność jasności od siły bodźca oraz powtarzalność cykli ładowania. Zastosowanie medyczne wymagałoby ponadto osobnych badań bezpieczeństwa i zgodności biologicznej. (PAP)

kmp/ agt/