فريق بحثي ياباني يطور مادة مضيئة ميكانيكياً من أكسيد الزنك خالية من العناصر الأرضية النادرة

أخبار ar.wedoany.com، طور فريق بحثي من جامعة توهوكو بالتعاون مع جامعتي تسوكوبا وساغا مادة من أكسيد الزنك (ZnO) تحقق أداءً مضيئاً ميكانيكياً عالي الكثافة والحساسية دون استخدام العناصر الأرضية النادرة. تعمل المواد المضيئة ميكانيكياً على تحويل الطاقة الميكانيكية، مثل الإجهاد والانفعال والاهتزاز، مباشرة إلى ضوء دون الحاجة إلى بطاريات أو أسلاك، مما يجعلها مستشعرات ذاتية التزويد بالطاقة، ولها تطبيقات واعدة في مجالات المستشعرات الطبية الحيوية ومراقبة البنية التحتية. إلا أن المواد المضيئة ميكانيكياً عالية الأداء كانت تعتمد سابقاً على معادن أرضية نادرة باهظة الثمن أو تركيبات معقدة.

تستخدم هذه المادة الجديدة أكسيد الزنك، وهو مادة وفيرة على سطح الأرض وتستخدم على نطاق واسع في واقيات الشمس ومستحضرات التجميل والمراهم، وتتميز بمزايا الجمع بين الحساسية العالية والتكلفة المنخفضة.

من خلال إضافة كمية صغيرة من الصوديوم إلى أكسيد الزنك والتحكم الدقيق في العيوب الهيكلية للمادة، أثبت الباحثون لأول مرة أن أكسيد الزنك يمكنه تحقيق خصائص إضاءة ميكانيكية قوية وعالية الحساسية دون استخدام العناصر الأرضية النادرة.

استخدم الفريق المجهر الإلكتروني المتقدم والنمذجة الحاسوبية لتحليل أداء المادة. أظهر المجهر أن سطح الجسيمات يتميز ببنية تشبه الفوهات البركانية، تعمل على تحويل القوى الخارجية بشكل فعال إلى انفعال داخلي. في الوقت نفسه، أظهرت الحسابات المبدئية التي أجراها الفريق باستخدام الحاسوب العملاق MASAMUNE-II، المسمى على اسم مؤسس مدينة سينداي "داتي ماساموني"، أن وجود آثار من الصوديوم ينتج عيوباً هيكلية مستقرة قادرة على تخزين الشحنات الكهربائية بشكل مؤقت.

كما أشارت الحسابات إلى أن فراغات الزنك هي المسؤولة عن انبعاث الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. تعمل هذه العيوب الهيكلية بشكل متآزر، مما يمكن المادة من إصدار ضوء ساطع تحت ضغط لا يتجاوز بضعة كيلوباسكال، وهو ما يعادل الضغط الناتج عن لمسة خفيفة بطرف الإصبع.

ونظراً لقدرة الضوء المنبعث في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة على اختراق الأنسجة البيولوجية بشكل جيد، يمكن استخدام هذه المادة في المستشعرات الطبية التي لا تحتاج إلى مصدر طاقة داخلي، وذلك عن طريق تنشيطها من خارج الجسم باستخدام اهتزازات ضعيفة مثل الموجات فوق الصوتية. كما يمكن تطبيق المادة في مراقبة البنية التحتية مثل الجسور والمباني أو شفرات توربينات الرياح، حيث تظهر الانفعالات الدقيقة وعلامات التآكل المبكر على شكل ضوء مرئي، مما يساهم في تطوير أنظمة مراقبة عن بعد لا تحتاج إلى توصيلات كهربائية أو مصادر طاقة مخصصة.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com