L'oxyde de zinc sans terres rares réalise une première dans la conversion de la contrainte en lumière
Le dopage au sodium et les défauts de réseau contrôlés génèrent une mécanoluminescence à des pressions pouvant descendre jusqu'à quelques kilopascals
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Les matériaux mécanoluminescents transforment directement l'énergie mécanique, telle que la contrainte, la déformation et les vibrations, en lumière, ce qui en fait des capteurs auto-alimentés très intéressants, ne nécessitant ni piles ni câblage. Des capteurs biomédicaux aux capteurs autonomes de surveillance des infrastructures, les matériaux mécanoluminescents offrent un large éventail d'applications potentielles. Cependant, les matériaux mécanoluminescents haute performance reposaient traditionnellement sur des matériaux coûteux à base de terres rares ou sur des compositions complexes.
Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par l'université de Tohoku, en collaboration avec l'université de Tsukuba et l'université de Saga, a mis au point un matériau à base d'oxyde de zinc (ZnO) qui présente une mécanoluminescence puissante et très sensible sans utiliser aucun élément de terres rares.
Ce nouveau matériau combine une haute sensibilité et un faible coût grâce à l'utilisation de l'oxyde de zinc, un matériau abondant sur Terre que l'on trouve déjà dans des produits tels que les crèmes solaires, les cosmétiques et les pommades.
Les chercheurs ont obtenu ces performances en ajoutant une petite quantité de sodium à l'oxyde de zinc et en contrôlant soigneusement les défauts structurels du matériau. Selon l'équipe, il s'agit de la première démonstration d'une mécanoluminescence puissante et hautement sensible dans l'oxyde de zinc sans utilisation d'éléments de terres rares.
Pour comprendre pourquoi ce matériau est si performant, l'équipe a eu recours à la microscopie électronique de pointe et à la modélisation informatique. La microscopie a révélé que les particules possèdent une structure de surface distinctive en forme de cratère, susceptible de convertir efficacement la force externe en contrainte interne. Parallèlement, des calculs de première principe effectués à l'aide du supercalculateur MASAMUNE-II – nommé d'après le fondateur de Sendai, Masamune Date – ont montré que des traces de sodium créent des défauts structurels stables capables de stocker temporairement de la charge électrique.
Les calculs ont également révélé que les lacunes de zinc sont responsables de l'émission dans le proche infrarouge du matériau. Ensemble, ces défauts structurels permettent au matériau d'émettre une lumière vive sous une pression de quelques kilopascals seulement – soit à peu près la pression produite par un léger effleurement du bout des doigts.
Cette haute sensibilité ouvre la voie à une multitude d'applications pratiques. Comme la lumière émise se situe dans le domaine du proche infrarouge, qui pénètre relativement bien les tissus biologiques, le matériau pourrait être utilisé dans de futurs capteurs médicaux fonctionnant sans source d'alimentation interne. De tels dispositifs pourraient potentiellement être activés depuis l'extérieur du corps à l'aide de faibles vibrations, telles que des ultrasons.
Ce matériau pourrait également servir à la surveillance des infrastructures. Appliqué aux ponts, aux bâtiments ou aux pales d'éoliennes, il permettrait de visualiser sous forme de lumière de petites déformations et les premiers signes de détérioration. Cela pourrait permettre la mise en place de systèmes de surveillance à distance fonctionnant sans câblage ni alimentation électrique dédiée.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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