L’un des objectifs de l’ingénierie des matériaux est de concevoir et d’optimiser des matériaux qui résistent efficacement au stress et à la dégradation, afin d’assurer la durabilité et la sécurité des structures et des produits. Récemment, des chercheurs ont utilisé la mécano-luminescence pour visualiser le stress subi par des matériaux imprimés en 3D avec une encre composée de nanocristaux de fluorure, dopés au lanthanide. Cette innovation pourrait transformer la conception de structures d’ingénierie et la compréhension des contraintes mécaniques tout en mettant en avant le potentiel technologique des nanocristaux et l’émission de lumière en réponse à une contrainte.
La mécano-luminescence est un phénomène particulier dans lequel un matériau émet de la lumière en réponse à une stimulation mécanique, comme une pression ou une tension. Bien que ce phénomène soit connu depuis longtemps, son application à l’imagerie du stress en trois dimensions est une nouveauté.
L’imagerie du stress est une technique utilisée pour visualiser et mesurer les forces de stress (pression, tension, étirement, etc.) qui agissent sur un objet ou une structure. C’est un outil précieux dans de nombreux domaines, notamment en ingénierie mécanique et en sciences des matériaux, où il est essentiel de comprendre comment les forces de stress affectent la durabilité et la performance des matériaux et des structures.
D’ailleurs, ce domaine a toujours cherché à comprendre comment les matériaux réagissent aux forces appliquées, pourquoi et comment un objet casse. Cependant, mesurer précisément la distribution du stress, en particulier dans les structures non planes, est un défi. Cette nouvelle technique d’imagerie du stress, présentée par Xuhui Xu de l’Université des sciences et technologies de Kunming en Chine et ses collègues, pourrait être la solution. Leurs travaux sont publiés dans la revue ACS Nano.
Lumière sur l’encre pour l’impression 3D
L’équipe a utilisé des nanocristaux de fluorure, dopés au lanthanide, pour réaliser cette prouesse. Les lanthanides sont connus pour leurs propriétés uniques, leur luminescence, qui est la capacité d’émettre de la lumière lors d’une excitation. Chaque lanthanide a un spectre d’émission unique, ce qui signifie qu’il peut émettre de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques lorsqu’il est excité.
Le lanthanide utilisé est le terbium (Tb3+), émettant une lumière verte. Il est incorporé dans des nanocristaux de fluorure pour créer un matériau qui agit en réponse à une stimulation mécanique. Concrètement, lorsqu’une pression est appliquée à ces cibles, elles émettent de la lumière, permettant aux chercheurs de « voir » où et comment le stress est appliqué, ce qui peut aider à comprendre comment les matériaux réagissent sous différentes conditions.
Des matériaux similaires ont déjà été fabriqués, mais ils sont minces et plats. Les chercheurs souhaitaient concevoir un matériau suffisamment épais pour montrer comment les forces s’y appliquent dans les trois dimensions spatiales. C’est ainsi que ces nanocristaux ont été utilisés pour créer une encre destinée à l’impression 3D, permettant de produire différentes structures tridimensionnelles, comme des cubes assemblés à partir de minuscules sphères.
Ces structures contiennent des « pièges profonds », selon les auteurs de l’étude. Il s’agit simplement de défauts ou irrégularités dans la structure cristalline d’un matériau, qui peuvent capturer et retenir des électrons à un niveau d’énergie plus élevé que leur état fondamental.
Ces pièges peuvent être créés de différentes manières, par exemple par des impuretés dans le matériau, des défauts de réseau, ou même par des radiations. C’est pourquoi les chercheurs ont soumis ces structures à des rayons X, donnant aux électrons à l’intérieur du matériau une énergie supplémentaire.
De fait, lorsqu’un électron, dans un état d’énergie plus élevé, se retrouve bloqué, il est également isolé du reste du matériau par la barrière d’énergie du piège, une sorte de « mur » énergétique qui empêche un électron de le quitter une fois qu’il y est entré. C’est un concept qui découle de la mécanique quantique. Cela signifie qu’il ne peut pas facilement revenir à un niveau d’énergie inférieur par lui-même — il a besoin d’une certaine quantité d’énergie pour surmonter la barrière du piège et être libéré.
Dans le cas de la mécano-luminescence, cette énergie provient d’une stimulation mécanique, comme une pression ou une tension. Lorsque cette stimulation est appliquée, elle fournit l’énergie nécessaire pour libérer les électrons des pièges. Une fois libérés, les électrons peuvent revenir à un niveau d’énergie inférieur. En se débarrassant de l’énergie excédentaire, ils émettent de la lumière.
Des applications multiples et concrètes
Les auteurs expliquent qu’ils peuvent contrôler et prédire la réponse lumineuse du matériau en fonction de la force mécanique appliquée. En d’autres termes, plus la pression est forte sur la structure imprimée, plus la lumière verte est vive.
Cette avancée a des implications majeures pour divers domaines. En ingénierie, par exemple, elle pourrait aider à optimiser la conception des structures et à évaluer la résistance des matériaux. En médecine et en biologie, l’imagerie du stress pourrait aider à comprendre comment les cellules et les tissus réagissent à différentes forces mécaniques, comme lors de l’insertion de vis ou de plaques pour des fractures.
De plus, cette recherche met en lumière l’importance des lanthanides, une série d’éléments chimiques souvent négligés. Les lanthanides sont parfois appelés « terres rares », bien que ce terme soit un peu trompeur, car la plupart des lanthanides sont en fait assez abondants dans la croûte terrestre. Mais leur extraction et leur traitement peuvent poser des défis environnementaux et économiques.
Leur utilisation dans cette étude démontre pleinement leur potentiel pour d’autres applications innovantes, allant de l’éclairage et des écrans à la recherche biomédicale, où ils peuvent être utilisés pour étiqueter et visualiser des cellules et des tissus spécifiques.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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