Mechanolumineszierende (ML) Materialien, die bei mechanischer Belastung Licht emittieren, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist, sind vielversprechend für fortschrittliche Technologien wie bisskontrollierte Schnittstellen, Gesundheitsüberwachung und präzise Kraftmessung. Eine Herausforderung bei diesen Materialien ist jedoch ihr breites Lichtemissionsspektrum, das die Empfindlichkeit verringern und unerwünschtes Rauschen verursachen kann, was ihre Wirksamkeit bei Sensoranwendungen beeinträchtigt.
Bewältigung der Herausforderung mit Farbfiltration
Forscher aus Südkorea und Großbritannien unter der Leitung von Professor Hyosung Choi von der Hanyang-Universität haben einen neuen Ansatz zur Verbesserung der ML-Sensorauflösung entwickelt. Ihre in Advanced Materials veröffentlichte Arbeit beinhaltet die Beschichtung des ML-Materials, mit Kupfer dotiertes Zinksulfid (ZnS:Cu), mit einer speziellen Polymerhülle. Diese Hülle aus Poly(9,9-dioctylfluoren-alt-benzothiadiazol) (F8BT) fungiert als Farbfilter und reduziert selektiv Lichtemissionen unter 490 Nanometern. Diese Einengung des Lichtspektrums von 94 nm auf 55 nm verbessert die Fähigkeit, verschiedene Signale zu unterscheiden, deutlich.
Eine neuartige Doppelfunktionalität: Lichtkompensation
Typischerweise verringert die Farbfilterung die Gesamtintensität des emittierten Lichts. Bei diesem innovativen System gleicht die durch mechanischen Druck ausgelöste eigene Lichtemission des F8BT-Polymers diesen Verlust jedoch aus. Diese doppelte Funktionalität – sie fungiert sowohl als Filter als auch als Lichtquelle – ist ein entscheidender Vorteil. Durch das Herausfiltern unerwünschter Farben bei gleichzeitiger Beibehaltung der starken blauen Lichtemission minimiert das System spektrales Rauschen und erhöht die Auflösung in praktischen haptischen Controllern.
Proof of Concept: Farbverfolgungssystem
Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren, erstellten die Forscher ein Proof-of-Concept-Farbverfolgungssystem unter Verwendung von mit F8BT beschichtetem ZnS:Cu. Dieses System unterschied genau zwischen blauen und grünen ML-Signalen und demonstrierte die hohe spektrale Auflösung, die durch seine chromatische Filterstrategie erreicht wurde.
Implikationen für zukünftige Anwendungen
Diese Technologie eröffnet spannende Möglichkeiten für eine Reihe von Anwendungen:
- Tragbare Sensoren für Weltraumumgebungen: Quantifizierung der Besatzungsaktivität im Weltraum, was leichte, energieeffiziente Überwachungslösungen erfordert.
- Mundstückartige Controller: Ermöglichen die Bedienung des Rollstuhls über Kaugesten, wobei bestimmte Bewegungen (links, in der Mitte, rechts) unterschiedliche Aktionen auslösen.
- Gesundheitsfürsorge für ältere Menschen: Deckung des wachsenden Bedarfs an stromlosen Stresssensortechnologien zur Bewegungsüberwachung und unterstützenden Robotik, insbesondere angesichts der Alterung der Bevölkerung.
„Da die Alterung der Gesellschaft immer schneller voranschreitet, wird es eine steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen, energielosen Stresserkennungstechnologien geben, die in direktem Zusammenhang mit der Gesundheitsversorgung älterer Menschen stehen“, sagte Prof. Choi.
Langfristige Vision: Umweltfreundliche Sensoren und Energiegewinnung
Über unmittelbare Anwendungen hinaus hat diese Technologie das Potenzial, energiesammelnde Sensoren und Schnittstellen voranzutreiben, die mechanische Energie in Licht umwandeln. Dies stellt eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen batteriebetriebenen Geräten dar und reduziert die Batterieabhängigkeit und den Elektroschrott erheblich. Die hohe Farbreinheit und die zuverlässige optische Dekodierung ermöglichen einen langen Betrieb ohne externe Stromversorgung, Aktivierung und Auslesung mit Kameras oder Fotodioden und machen es ideal für Umgebungen mit eingeschränkter Stromversorgung, wie z. B. Katastrophengebiete, abgelegene Infrastrukturen, Tiefseeforschung und Weltraummissionen. Innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre soll diese Innovation zu batterielosen, hochauflösenden Sensornetzwerken in Displays, Wearables und Arbeitsschutzgeräten führen.
