Една от целите на материалознанието е да се разработят и

Една от задачите на материалознанието е да се разработят и усъвършенстват материали, които дейно да устояват на натоварвания и деградация, с цел да се подсигурява дълготрайността и сигурността на структурите и продуктите. Наскоро откриватели използваха механолуминесценция (механичната луминесценция), с цел да пресъздават напреженията, изпитвани от материали, отпечатани в 3D формат с мастила, състоящи се от флуоридни нанокристали, легирани с лантанид. Това изобретение може да промени проектирането на инженерните структури и разбирането на механичния стрес, както и да подчертае софтуерния капацитет на нанокристалите и излъчването на светлина в отговор на натоварването.

Механичната луминесценция е изключително събитие, при което даден материал излъчва светлина в отговор на механична стимулация, да вземем за пример напън или налягане. Въпреки че това събитие от дълго време е известно, приложението му за триизмерно обрисуване на натоварванията е ново.

Визуализацията на натоварването е техника, която се употребява за визуализиране и премерване на силите на напрежение (натиск, опън, разпъване и др.), настоящи върху обект или конструкция. Тя е скъп инструмент в доста области, в това число машиностроенето и материалознанието, където е значимо да се разбере по какъв метод силите на натоварването въздействат върху трайността и експлоатационните характерности на материалите и структурите.

Тази научна област постоянно се е стремяла да разбере по какъв начин реагират материалите на приложените сили, за какво и по какъв начин даден обект се унищожава. Въпреки това точното премерване на разпределението на напреженията, изключително в непланарни структури, е същинско предизвикателство. Нова техника за визуализация на напреженията, показана от Сюхюи Сю от Университета за просвета и технологии в Кунмин, Китай, и неговите сътрудници, може да бъде решение на този проблем. Тяхната научна работа е оповестена в списание ACS Nano.

Консумативите за 3D печата

За задачата екипът е употребявал флуоридни нанокристали, легирани с лантаниди. Лантанидите са известни с неповторимото си свойство луминесценция – способността да излъчват светлина, когато са възбудени. Всеки лантанид има неповторим емисионен набор, което значи, че когато е възбуден, той може да излъчва светлина с тъкмо избрана дължина на вълната.

Използваният лантанид е тербий (Tb3+), който излъчва зелена светлина. Той е включен във флуоридните нанокристали, с цел да се сътвори материал, който работи в отговор на механично стимулиране. На процедура, когато върху тези материали се приложи напън, те излъчват светлина, което дава опция на откривателите да „ видят “ къде и по какъв начин е приложено напрежението, което може да помогне да се разбере по какъв начин материалите реагират при разнообразни условия.

Вече бяха основани сходни материали, само че те бяха тънки и плоски. Изследователите желаеха да основат материал с задоволителна дебелина, с цел да покажат в три пространствени измерения по какъв начин работят силите върху него. Затова нанокристалите са употребявани за основаване на консуматив напомнящ мастило за 3D щемпел, което дава опция за основаване на разнообразни триизмерни структури, като да вземем за пример кубове, съединени от дребни сфери.

Според създателите на проучването тези структури съдържат „ дълбоки капани„. Това са просто недостатъци или нередности в кристалната конструкция на материала, които могат да улавят и задържат електрони на по-високо енергийно равнище от главното им положение.

Тези клопки могат да бъдат основани по разнообразни способи, да вземем за пример посредством примеси в материала, недостатъци в решетката или даже посредством радиация. Ето за какво откривателите са изложили тези структури на рентгенови лъчи, като са дали на електроните в материала спомагателна сила.

Всъщност, когато един електрон в по-високо енергийно положение е заловен в капан, той също по този начин е изолиран от останалата част на материала посредством енергийната преграда на клопката, един тип енергийна „ стена “, която не разрешава на електрона да го напусне, откакто попадне там. Това разбиране е заимствано от квантовата механика. Това значи, че електронът не може самичък да се върне на по-ниско енергийно равнище – той се нуждае от несъмнено количество сила, с цел да преодолее бариерата на клопката и да се освободи.

В случая на механична луминесценция тази сила идва от механична стимулация, да вземем за пример напън или натегнатост. Когато се приложи тази стимулация, тя обезпечава силата, нужна за освобождение на електроните от клопките. Веднъж освободени, електроните могат да се върнат на по-ниско енергийно равнище. Като се освободят от непотребната сила, те излъчват светлина.

Многобройни на практика приложения

Авторите изясняват, че могат да управляват и предвиждат светлинната реакция на материала според от приложената механична мощ. С други думи, колкото по-голям е натискът върху отпечатаната конструкция, толкоз по-ярка е зелената светлина.

Това достижение има огромно значение в редица най-различни области. В машиностроенето да вземем за пример то може да помогне за усъвършенстване проектирането на структурите и за оценка здравината на материалите. В медицината и биологията изобразяването на напрежението може да помогне да се разбере по какъв начин клетките и тъканите реагират на другите механични въздействия, да вземем за пример когато се слагат винтове или пластини при фрактури.

Това проучване акцентира също по този начин смисъла на лантанидите – групата химични детайли, които постоянно се подценяват. Понякога лантанидите се назовават „ редкоземни “, макар че този термин е малко подвеждащ, защото множеството лантаниди в действителност са в обилие в земната кора. Въпреки това тяхното добиване и преправка може да докара до екологични и стопански проблеми.

Използването им в това проучване изцяло показва капацитета им за други новаторски приложения – от осветяване и екрани до биомедицински проучвания, където могат да се употребяват за маркиране и визуализиране на характерни кафези и тъкани.