Geben Sie ihm ein wenig Strom, es kann lange hell bleiben

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Zhaofeng (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn wir unsere Hände reiben, spüren wir die Wärme. Wenn wir unsere Haare mit einem Plastikkamm kämmen, fliegen die Haare nicht nur aufgrund der statischen Elektrizität hoch, sondern schlagen manchmal auch mit knisternden Geräuschen auf unsere Hände. Dies sind die Auswirkungen alltäglicher Reibereien in unserem Leben. Aber haben wir jemals den kurzen blauen Blitz beobachtet, der entsteht, wenn ein Schokoriegel im Dunkeln zerdrückt wird oder wenn ein Stück Klebeband im Dunkeln zerrissen wird?

Das Leuchten eines zerstoßenen Minzbonbons

(Bildquelle: Referenz [1])

Das Lumineszenzphänomen, das von diesem Objekt unter Einwirkung äußerer mechanischer Kräfte (wie Reibung, Kratzen, Aufprall, Kompression, Schleifen usw.) erzeugt wird, wird als Tribolumineszenz bezeichnet. Tatsächlich wurde dieses durch äußere Reize hervorgerufene Lumineszenzphänomen bereits vor über 400 Jahren von Menschen beobachtet und in entsprechenden Monographien dokumentiert. Aufgrund des anfänglich sehr begrenzten Verständnisses der Menschen für die Tribolumineszenz und unzureichender experimenteller Bedingungen verlief der Forschungsprozess zur Tribolumineszenz jedoch äußerst langsam und sie war in der Öffentlichkeit kaum bekannt.

Dies ist eine einfache Anwendung von Reibung/mechanischer Lumineszenz bei einem Indianerstamm. Kristallfragmente sind in einer durchscheinenden Rassel aus Rindsleder untergebracht. Beim Schütteln der Rassel leuchten die Kristallfragmente durch den Zusammenstoß auf, dieses Leuchten ist jedoch nicht von langer Dauer und wird deshalb bisher nicht häufig eingesetzt.

(Bildquelle: Wikipedia)

In den letzten Jahrzehnten wurden in der Tribolumineszenzforschung rasante Fortschritte erzielt. Insbesondere können Tribolumineszenzmaterialien die angewandten unsichtbaren mechanischen Informationen direkt mit dem für das bloße Auge sichtbaren Lumineszenzsignal verknüpfen. Dies bietet großartige Anwendungsaussichten in den Bereichen grüne Beleuchtung, mechanische Anzeige und Sensorik, intelligente Wearables, strukturelle Gesundheitsüberwachung, intelligente Haut und Fälschungsschutz und bietet innovative und effektive Lösungen für Durchbrüche in der drahtlosen, berührungslosen, verteilten mechanischen Anzeige- und Sensortechnologie.

Während Tribolumineszenz/mechanische Lumineszenz den sozialen Fortschritt erleichtert, stellen die Menschen auch höhere Anforderungen an ihre Leistung. Normalerweise handelt es sich bei der Tribolumineszenz um ein vorübergehendes Lumineszenzverhalten, d. h., Tribolumineszenz kann nur in dem Moment erzeugt werden, in dem wir das Material berühren. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass dieses vorübergehende Lumineszenzverhalten großen Einschränkungen unterliegt und man keine kontinuierlichen Beleuchtungs- und Anzeigefunktionen erreichen kann. Dies ist einer der Gründe, warum sich die tribomechanische Lumineszenz seit langem nur langsam entwickelt.

Tribolumineszenz dauert nur einen Moment und ist nicht von langer Dauer

(Bildquelle: Wikipedia)

Langlebige Tribolumineszenz, ein Phänomen, bei dem nach mechanischer Stimulation kontinuierlich Licht emittiert werden kann, ist eine wirksame Methode, um das Problem der vorübergehenden Lumineszenz der Tribolumineszenz zu lösen . Die Forscher haben in das Material eine sogenannte „Falle“ genannte Struktur eingebracht, die wie ein Tank funktioniert, der Energie speichern kann. Solange diese Energietanks im Voraus gefüllt werden und die vorgespeicherte Energie unter Einwirkung mechanischer Kraft langsam freigesetzt wird, kann eine lang anhaltende Tribolumineszenz/mechanische Lumineszenz erzeugt werden. Allerdings muss dieser Typ langlebiger Leuchtstoffe vor jedem Gebrauch für eine gewisse Zeit (5–20 Minuten) vorgeladen werden, was den tatsächlichen Betrieb erheblich erschwert. Gibt es also ein Material, das eine langlebige Tribo- / Mechnolumineszenz aufweist, ohne dass eine Vorladung erforderlich ist?

Kürzlich haben Forscher vom Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften auf innovative Weise ein selbstaufladendes, langlebiges tribolumineszierendes/mechanolumineszierendes Material entwickelt. Dieses Material erfordert vor der Verwendung keine Vorbehandlung. Angetrieben durch mechanische Kraft kann mechanische Energie direkt im Material gespeichert werden. Die gespeicherte Energie wird langsam freigesetzt, wodurch ein langlebiger Reibungs-/mechanischer Lumineszenzeffekt entsteht.

Durch einfaches „Antippen“ des Materials leuchtet es für mehr als zehn Sekunden auf.

(Bildquelle: Referenz [2])

Dieses selbstaufladende, langlebige tribo-/mechanolumineszierende Material ist ein Elastomermaterial. Bei der Herstellung müssen die Forscher lediglich verschiedene Gussformen verwenden, um daraus unterschiedliche Formen mit bunten Mustern herzustellen. Der Grund, warum kein Vorladen mehr erforderlich ist, liegt darin, dass das „Ventil“ des „Energiespeichertanks“ im Inneren des Materials verbessert wurde. Die von den Forschern auf das Material angewendete mechanische Energie kann den „Energiespeichertank“ direkt aufladen, und dann wird die Energie langsam freigesetzt, um eine langlebige tribomechanische/mechanische Lumineszenz zu erzeugen. Daher ist bei diesem Material der Vorladeschritt nicht mehr erforderlich. Es genügt, einmalig Druck auf das Material auszuüben und es leuchtet eine Zeit lang weiter. In Zukunft kann man die „Energiespeicher“-Struktur des Materials noch weiter verbessern, sodass es durch leichte Krafteinwirkung mehrere Stunden oder länger leuchten kann. Bis dahin wird für die Beleuchtung und Anzeige von Menschenhand kein Strom mehr benötigt. Dies kann vielmehr durch die Nutzung sauberer Energie erreicht werden, wie sie in der Natur weit verbreitet ist, wie etwa Windenergie, Gezeitenenergie usw., sowie durch die Nutzung mechanischer Energie, die das menschliche Leben und die Produktion begleitet, wie etwa menschliche Bewegung und Maschinenbetrieb. Dadurch werden nicht nur Energie gespart und Emissionen reduziert, sondern auch der Lebenszufriedenheitsindex der Menschen verbessert.

Zusätzlich zu den Anwendungen in Beleuchtungssystemen und Displays der nächsten Generation haben die Forscher, inspiriert durch den physikalischen Prozess der Selbstaufladung und der langlebigen Tribo-/Mechnolumineszenz, eine langfristige, stabile Speicherung mechanischer Informationen und deren Möglichkeit erreicht, diese jederzeit und überall abzulesen. Wenn im Leben beispielsweise Instrumente, Geräte oder Fahrzeuge wie Autos kollidieren, können wir aus dem Material Informationen wie Intensität, Ort und Zeitpunkt des Aufpralls ablesen und so eine wissenschaftliche Grundlage für die Analyse von Instrumentenfehlern, die Beurteilung von Geräteschäden und die Feststellung der Unfallverantwortung schaffen.

Quellen:

[1] Monette Z, Kasar AK, Menezes P L. Fortschritte bei Intribolumineszenz und Mechanolumineszenz[J]. Journal of Materials Science:Materialien in der Elektronik, 2019, 30(22): 19675-19690.

[2] Bai Y, Guo X, Tian B, Liang Y, Peng D, Wang Z. Selbstaufladende persistente Mechanolumineszenz mit mechanischen Speicher- und Visualisierungsaktivitäten[J]. Fortgeschrittene Wissenschaft, 2022, 2203249.