Mechanoluminescente (ML) materialen, die licht uitstralen wanneer ze mechanisch worden belast zonder dat er een externe stroombron nodig is, zijn veelbelovend voor geavanceerde technologieën zoals beetgestuurde interfaces, gezondheidsmonitoring en nauwkeurige krachtmeting. Een uitdaging bij deze materialen is echter hun brede lichtemissiespectrum, dat de gevoeligheid kan verminderen en ongewenste ruis kan introduceren, waardoor hun effectiviteit bij detectietoepassingen wordt belemmerd.
De uitdaging aangaan met kleurfiltratie
Onderzoekers uit Zuid-Korea en Groot-Brittannië, onder leiding van professor Hyosung Choi van de Hanyang Universiteit, hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om de resolutie van de ML-sensor te verbeteren. Hun werk, gepubliceerd in Advanced Materials, omvat het coaten van het ML-materiaal, zinksulfide gedoteerd met koper (ZnS:Cu), met een speciaal polymeer omhulsel. Deze schaal, gemaakt van poly(9,9-dioctylfluoreen-alt-benzothiadiazool) (F8BT), fungeert als een kleurenfilter en vermindert selectief de lichtemissie onder 490 nanometer. Deze vernauwing van het lichtspectrum van 94 nm naar 55 nm verbetert het vermogen om onderscheid te maken tussen verschillende signalen aanzienlijk.
Een nieuwe dubbele functionaliteit: lichtcompensatie
Doorgaans vermindert kleurfiltratie de algehele intensiteit van het uitgestraalde licht. In dit innovatieve systeem compenseert de eigen lichtemissie van het F8BT-polymeer, veroorzaakt door mechanische druk, dit verlies. Deze dubbele functionaliteit – die zowel als filter als als lichtbron fungeert – is een belangrijk voordeel. Door ongewenste kleuren uit te filteren terwijl de sterke emissie van blauw licht behouden blijft, minimaliseert het systeem spectrale ruis en verhoogt het de resolutie in praktische haptische controllers.
Proof of Concept: kleurvolgsysteem
Om de mogelijkheden van het systeem te demonstreren, creëerden de onderzoekers een proof-of-concept kleurvolgsysteem met behulp van ZnS:Cu gecoat met F8BT. Dit systeem maakte nauwkeurig onderscheid tussen blauwe en groene ML-signalen, wat de hoge spectrale resolutie demonstreerde die werd bereikt door hun chromatische filtratiestrategie.
Implicaties voor toekomstige toepassingen
Deze technologie opent opwindende mogelijkheden voor een reeks toepassingen:
- Draagbare sensoren voor ruimteomgevingen: Kwantificeren van bemanningsactiviteiten in de ruimte, waarvoor lichtgewicht, energiezuinige monitoringoplossingen nodig zijn.
- Mondstuk-type controllers: Maakt rolstoelbediening mogelijk via kauwgebaren, waarbij specifieke bewegingen (links, midden, rechts) verschillende acties activeren.
- Ouderengezondheidszorg: Het aanpakken van de groeiende behoefte aan stroomloze stressdetectietechnologieën voor bewegingsmonitoring en ondersteunende robotica, vooral naarmate de bevolking ouder wordt.
“Naarmate de vergrijzende samenleving versnelt, zal er een toenemende vraag zijn naar milieuvriendelijke, stroomloze stressdetectietechnologieën die rechtstreeks verband houden met de gezondheidszorg voor ouderen”, aldus prof. Choi.
Langetermijnvisie: milieuvriendelijke sensoren en energieoogst
Naast directe toepassingen heeft deze technologie het potentieel om energie-oogstende sensoren en interfaces te bevorderen die mechanische energie in licht omzetten. Dit biedt een milieuvriendelijk alternatief voor traditionele apparaten op batterijen, waardoor de afhankelijkheid van batterijen en elektronisch afval aanzienlijk worden verminderd. De hoge kleurzuiverheid en betrouwbare optische decodering maken langdurig gebruik mogelijk zonder externe voeding, geactiveerd en gelezen met camera’s of fotodiodes, waardoor het ideaal is voor omgevingen met beperkte stroom, zoals rampgebieden, afgelegen infrastructuur, diepzeeverkenning en ruimtemissies. Verwacht wordt dat deze innovatie binnen de komende vijf tot tien jaar zal leiden tot batterijloze sensornetwerken met hoge resolutie in displays, wearables en industriële veiligheidsapparatuur.
