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- 마찰이나 압축과 같은 기계적 과정에 의해 빛을 발하는 물질, '기계적 발광'
- 기계적 발광 반응이 재현 가능하고 충격 에너지와 직접적인 상관관계
- 섬유, 비드 또는 마이크로스피어를 포함한 거의 모든 형태로 사용할 수 있어
- 발광 제품 표시 또는 보안 코드도 포함될 수 있다.

기계적 영향을 받는 새로운 유형의 유리 세라믹 발광
특수 결정은 투명한 재료에 기계적 발광을 제공한다.

압력을 가하면 불이 켜진다.

새로운 유형의 재료는 유리처럼 투명하고 세라믹처럼 안정적이며 기계적 스트레스를 받으면 빛을 발하기 시작한다. 이것은 이 유리 세라믹의 매트릭스에 내장된 특수 결정으로 가능하다. 압력이 가해지면 조명이 켜지는 다용도 소재에 기계적 발광성을 부여한다. 결과적으로 이 유리-세라믹은 예를 들어 기계적 응력에 대한 지표로 사용될 수 있다. 

▲ 이 유리-세라믹 조각은 기계적으로 들뜬 후 붉은 빛을 방출한다. © Lothar Wondraczek / 예나 대학교

일부 생명체에게 생물발광은 중요한 역할을 한다. 그들은 의사소통, 방향 또는 위장에 사용하는 생화학적 과정을 통해 빛을 생성한다. 미네랄 및 기타 고체도 발광을 나타낼 수 있다. 이것은 화학 공정, 방사선 또는 전류에 의해 유발될 수 있다. 그러나 마찰이나 압축과 같은 기계적 과정에 의해 빛을 발하는 물질도 있다. 이 경우 기계적 발광이라고 한다.

결정은 유리에 특성을 전달한다.

"기계발광을 나타내는 대부분의 재료는 분말로만 이용 가능하며, 특히 다용도가 아니다"라고 예나(Jena) 대학의 로타 본드라체크(Lothar Wondraczek)가 말했다. 제1저자인 지앙군 카오(Jiangkun Cao) 및 다른 동료들과 함께 그는 기계적 응력 하에서 빛을 발하고 단단한 유리 세라믹의 특성을 갖는 재료를 개발했다. 이러한 비교적 새로운 재료는 유리 매트릭스에 통합된 결정 구조로 구성되며 결정에 따라 다른 특성을 가질 수 있다.

이러한 특성에는 크롬이 도핑된 갈레이트 아연 결정에 대한 과학자들의 실험에서 유리 매트릭스에 도입된 기계적 발광도 포함된다. 발광 특성 외에도 이러한 결정은 매우 작다는 장점이 있다. 그 결과, 결정이 놓이는 유리는 대체로 투명하게 유지된다. 연구원들은 칼륨과 산화 게르마늄의 화합물인 게르마늄산 칼륨을 유리 매트릭스로 사용한다.

두 물질을 결합하기 위해 팀은 빠르고 안정적인 결정화 프로세스를 개발했다. 이것은 균질한 핵형성과 매우 제한된 온도 창을 사용해 성장률을 가능한 한 낮게 유지한다. 이를 통해 입방 미터당 1023개 이상의 높은 결정 밀도 밀도를 생산할 수 있었다.

▲ 그림 1. (a) 일광 및 UV LED 조명(365 nm, 표시된 대로) 아래의 샘플 사진. (b) 1.0 mm의 시편 두께에 대한 광 투과율 스펙트럼. (c) 5 K/min의 가열 속도로 얻은 65GeO2-5K2CO3-15Ga2O3-15ZnO-0.1Cr2O3 유리의 DSC 업스캔. (d) Cu 그리드를 덮는 탄소 필름에 장착된 GC20의 명시야 TEM 이미지. (e) 스피넬 구조에 해당하는 격자 무늬를 보여주는 GC20의 HRTEM 이미지. 왼쪽 하단의 결정은 [110] 영역 축을 따라 보여지며 (111) 격자 무늬를 묘사하고 오른쪽 상단의 결정은 (400) 격자를 반복적으로 표시합니다. (f) 그림 1(d)에 표시된 결정질 물질과 유리질 매트릭스의 선택된 영역 전자 회절 패턴.(출처: 관련논문 Mechanoluminescence from highly transparent ZGO:Cr spinel glass ceramics)

빛의 강도는 기계적 에너지와 관련

그들의 작업 결과 Cao의 팀은 한편으로는 매우 안정적이고 투명하며 다른 한편으로는 기계적 응력 하에서 빛을 방출하는 재료를 얻었다. 기계 발광을 더 자세히 특성화하기 위해 그들은 약 16g 무게의 강철 공을 다른 높이에서 유리-세라믹 위에 떨어뜨렸다. "우리는 기계적 발광 반응이 재현 가능하고 충격 에너지와 직접적인 상관관계가 있음을 발견했다"라고 Wondraczek은 설명했다.

연이어 여러 발의 총알을 맞으면서 방출되는 발광 강도가 감소했다. "그러나 우리가 반복 사이에 자외선으로 물질을 조명하고 충전했을 때 동일한 샘플이 반복되는 기계적 발광 반응을 보였다"고 과학자들은 보고했다.

인공 관절, 건물, 보안 코드

과학자들은 게르마늄산칼륨 덕분에 새로운 재료가 가진 유연한 응용 가능성에 대해 큰 희망을 갖고 있다. Wondraczek은 "우리는 유리와 같은 처리 방법을 사용할 수 있는 기계발광 유리-세라믹을 개발했다. "결과적으로 섬유, 비드 또는 마이크로스피어를 포함한 거의 모든 형태로 사용할 수 있으며 다양한 구성 요소 및 장치에 통합될 수 있다.“

예를 들어 기계적 응력을 모니터링하기 위해 미래에 인체의 인공 관절에 재료를 사용하는 것을 상상할 수 있다. 유리 세라믹은 또한 건물이나 교량의 민감한 영역에서 더 나은 모니터링을 보장할 수 있다. 그 빛은 기계적 응력의 정도를 나타낸다. “우리의 작업은 기계 발광 재료를 다양한 응용 분야에 통합하는 데 도움이 될 수 있다. 여기에는 발광 제품 표시 또는 보안 코드도 포함될 수 있다”라고 Wondraczek은 말했다.
(Optical Materials Express, 2022, doi:10.1364/OME.459185)
출처: Optica

[더사이언스플러스]

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