Une équipe de recherche japonaise développe un matériau mécanoluminescent à base d'oxyde de zinc sans terres rares

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université de Tohoku, en collaboration avec l'Université de Tsukuba et l'Université de Saga, a développé un matériau à base d'oxyde de zinc (ZnO) qui présente des propriétés mécanoluminescentes de haute intensité et de haute sensibilité sans utiliser d'éléments de terres rares. Les matériaux mécanoluminescents convertissent directement l'énergie mécanique, telle que les contraintes, les déformations et les vibrations, en lumière, sans nécessiter de piles ni de fils électriques. Ils constituent des capteurs auto-alimentés prometteurs pour les capteurs biomédicaux et la surveillance des infrastructures. Cependant, les matériaux mécanoluminescents hautes performances reposaient jusqu'à présent souvent sur des métaux de terres rares coûteux ou des compositions complexes.

Ce nouveau matériau utilise l'oxyde de zinc, une substance abondante sur Terre et déjà largement utilisée dans les crèmes solaires, les cosmétiques et les pommades, alliant ainsi haute sensibilité et faible coût.

En ajoutant une petite quantité de sodium à l'oxyde de zinc et en contrôlant précisément les défauts structurels du matériau, les chercheurs ont démontré pour la première fois que l'oxyde de zinc peut présenter des propriétés mécanoluminescentes fortes et très sensibles sans utiliser d'éléments de terres rares.

L'équipe a analysé les performances du matériau à l'aide de la microscopie électronique avancée et de la modélisation informatique. La microscopie a révélé que la surface des particules présente une structure caractéristique en forme de cratère, qui transforme efficacement les forces externes en déformations internes. Parallèlement, des calculs de premiers principes effectués à l'aide du supercalculateur MASAMUNE-II, nommé d'après le fondateur de Sendai, Date Masamune, ont montré que des traces de sodium génèrent des défauts structurels stables capables de stocker temporairement des charges électriques.

Les calculs ont également indiqué que les lacunes de zinc sont à l'origine de l'émission de lumière proche infrarouge du matériau. Ces défauts structurels agissent en synergie, permettant au matériau d'émettre une lumière vive sous une pression de seulement quelques kilopascals (équivalente à la pression exercée par un effleurement du bout du doigt).

Étant donné que la lumière proche infrarouge émise peut pénétrer relativement bien les tissus biologiques, ce matériau pourrait être utilisé dans des capteurs médicaux ne nécessitant pas d'alimentation interne, par exemple activés de l'extérieur du corps par de faibles vibrations comme les ultrasons. Le matériau pourrait également être appliqué à la surveillance d'infrastructures telles que les ponts, les bâtiments ou les pales d'éoliennes, en rendant visibles les micro-déformations et les premiers signes d'usure sous forme de lumière, contribuant ainsi à la réalisation de systèmes de surveillance à distance sans câblage ni alimentation dédiée.