28 Jun Mit Ultraschall Lichtemission anregen und Temperatur messen
Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben ein mechanolumineszentes Material entwickelt, das sich mittels Ultraschalls nicht nur lokal erwärmen lässt, sondern gleichzeitig auch eine Rückmeldung über die Temperatur vor Ort gibt. Werden mechanolumineszente Materialien von außen mechanisch belastet, dann emittieren sie Licht. Eine solche Anregung kann zum Beispiel durch Knicken oder sanften Druck passieren, aber auch völlig berührungsfrei über Ultraschall. Auf diese Weise lässt sich der Effekt ferngesteuert auslösen – beispielsweise im menschlichen Körper.
Halbleiter mit seltener Erde kombiniert
„Eine mechanisch induzierte Lichtemission kann uns dabei viele Details über die Antwort eines Materials auf mechanische Belastungen liefern“, erklärt Professor Lothar Wondraczek von der Universität Jena. „Doch um das Feld der Anwendungen zu erweitern, ist es mitunter notwendig, zusätzlich auch Informationen über die während der Belastung lokal vorherrschende Temperatur zu erhalten – gerade dann, wenn die Anregung mittels Ultraschalls erfolgt.” Dafür haben die Jenaer Wissenschaftler einen Oxysulfid-Halbleiter mit der seltenen Erde Erbiumoxid kombiniert. Die halbleitende Struktur nimmt dann die mechanische Anregung durch Ultraschall auf – das Erbiumoxid liefert die Lichtemission. Aus dem Spektrum des emittierten Lichts kann dann mittels sogenannter optischer Thermometrie die Temperatur herausgelesen werden. „Somit haben wir immer die volle Kontrolle über die Temperaturentwicklung im Material, die sich zusätzlich durch den Ultraschall beeinflussen lässt“, erklärt Wondraczek. „Wir können von außen eine Temperaturerhöhung anregen, diese durch die Lichtemission messen und dadurch einen vollständigen Steuerungskreislauf aufbauen.“
Doktorand Yicong Ding von der Universität Jena experimentiert mit mechanoluminiszentem Material. Bild: Jens Meyer/Uni Jena.
Einsatz in der Medizin oder Sensorik
Die ferngesteuerte Lichtemission verbunden mit der Temperaturkontrolle eröffnet für derartige mechanolumineszente Materialien beispielsweise Anwendungen in der Medizin. „Ein mögliches Einsatzgebiet könnte dabei die fotodynamische Therapie sein, bei der mithilfe von Licht fotophysikalische Prozesse gesteuert werden, die den Organismus bei der Heilung unterstützen können“, sagt Wondraczek. Da biologisches Gewebe für das emittierte Infrarotlicht transparent ist, kann man während der Behandlung von außen eine gewünschte Temperatur einstellen und kontrollieren. Solche Ideen stehen jedoch laut den Wissenschaftlern noch sehr am Anfang.
Näherliegend sind jedoch andere Anwendungen, bei denen Licht und Wärme gezielt an dunkle Orte gebracht werden sollen. So könnten zum Beispiel die Fotosynthese oder andere lichtgetriebene Reaktionen gezielt ausgelöst, beobachtet und gesteuert werden. Ebenso könnte das Material als Sensor für Materialveränderungen oder auch als unsichtbare, codierte Markierung auf Materialoberflächen verwendbar sein.
Originalpublikation:
[Y. Ding, B. So, J. Cao und L. Wondraczek: Ultrasound-induced mechanoluminescence and optical thermometry toward stimulus-responsive materials with simultaneous trigger response and read-out functions, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202201631]
Quelle: www.uni-jena.de
Bild: Jens Meyer/Uni Jena
