Измерение температуры с помощью ультразвука
Если механолюминесцентные материалы подвергаются внешнему механическому воздействию, они излучают видимый или невидимый свет. Такое возбуждение может происходить, например, за счет сгибания или легкого надавливания, а также совершенно бесконтактно посредством ультразвука. Таким образом, эффект можно запускать удаленно, и свет может быть направлен в места, которые обычно находятся в темноте, например, в человеческом теле. Если одновременно с ультразвуковой обработкой будет производиться местное тепло, важно в такой чувствительной среде внимательно следить за возникающими температурами. Ученые-материаловеды из Университета Фридриха Шиллера в Йене, Германия, разработали механолюминесцентный материал, который можно использовать не только для создания локального подвода тепла с помощью ультразвука, но и в то же время обеспечивает обратную связь по локальной температуре.
Механолюминесцентный материал во время эксперимента в Йенском университете. Предоставлено: Йенс Мейер/Йенский университет.
Полупроводники и редкоземельные элементы
В своей работе йенские ученые часто имеют дело с механическими свойствами неорганических материалов, в частности с тем, как можно оптически наблюдать механические процессы.
«Механически индуцированное излучение света может дать нам много деталей о реакции материала на механическое напряжение», — объясняет профессор Лотар Вондрачек из Йенского университета. «Но для расширения области применения иногда также необходимо получить дополнительную информацию о локальной температуре — особенно когда возбуждение осуществляется с помощью ультразвука. Здесь нас изначально интересовали сенсорные материалы в виде ультратонкие частицы, которые, введенные в изучаемую среду, могут предоставить информацию обратной связи о том, как ультразвук взаимодействует с этой средой».
С этой целью исследователи из Йены объединили оксисульфидный полупроводник с редкоземельным оксидом эрбия. Полупроводниковая структура поглощает механическую энергию, создаваемую ультразвуковым возбуждением, а оксид эрбия обеспечивает излучение света. Затем температуру можно считать по спектру излучаемого света с помощью оптической термометрии.
«Это означает, что мы можем стимулировать повышение температуры извне, измерять его по характеристикам светового излучения и, таким образом, устанавливать полную схему управления», — объясняет Вондрачек.
Применение в фотодинамической терапии
Дистанционно управляемое излучение света в сочетании с контролем температуры может открыть совершенно новые области применения таких механолюминесцентных материалов, например, в медицине. «Одной из возможных областей применения может быть фотодинамическая терапия, в которой свет используется для управления фотофизическими процессами, которые могут помочь организму в лечении», — говорит ученый-материаловед Вондрачек.
С помощью мультичувствительных механолюминесцентных материалов в виде очень мелких частиц можно было не только генерировать свет и тепло в нужном месте, но и целенаправленно управлять ими. Поскольку биологическая ткань прозрачна для излучаемого инфракрасного излучения, во время лечения можно задавать и контролировать желаемую температуру снаружи. «Однако такие идеи все еще находятся в зачаточном состоянии. Все еще необходимы очень обширные исследования и исследования, чтобы воплотить их в жизнь».
Более доступными являются другие приложения, в которых свет и тепло должны направляться в темные места целенаправленным образом. Например, фотосинтез или другие реакции, управляемые светом, можно специально запускать, наблюдать и контролировать. Точно так же, возвращаясь к началу, материал можно использовать в качестве датчика для генерации или наблюдения за изменениями материала, а также в качестве невидимой закодированной маркировки на поверхности материала.
