Werden mechanolumineszente Materialien von au?en mechanisch belastet, dann emittieren sie sichtbares oder unsichtbares Licht. Eine solche Anregung kann zum Beispiel durch Knicken oder sanften Druck passieren, aber auch v?llig berührungsfrei über Ultraschall. Auf diese Weise l?sst sich der Effekt ferngesteuert ausl?sen und Licht an Orte bringen, die normalerweise eher im Dunkeln liegen – beispielsweise im menschlichen K?rper. Wenn die Ultraschallbehandlung gleichzeitig genutzt werden soll, um lokal W?rme zu erzeugen, so ist es bei einer solch sensiblen Umgebung wichtig, die sich dabei einstellenden Temperaturen genau zu beobachten. Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena haben nun ein mechanolumineszentes Material entwickelt, mit dessen Hilfe sie mittels Ultraschall nicht nur einen lokalen W?rmeeintrag erzeugen k?nnen, sondern das gleichzeitig auch eine Rückmeldung über die Temperatur vor Ort gibt. ?ber ihre Forschungsergebnisse berichten sie im renommierten Wissenschaftsmagazin ?Advanced Science“.

Halbleiter und seltene Erden

Die Jenaer Wissenschaftler besch?ftigen sich w?hrend ihrer Arbeit h?ufig mit den mechanischen Eigenschaften anorganischer Materialien, insbesondere damit, wie es gelingt, mechanische Prozesse optisch zu beobachten. ?Eine mechanisch induzierte Lichtemission kann uns dabei viele Details über die Antwort eines Materials auf mechanische Belastungen liefern“, erkl?rt Prof. Dr. Lothar Wondraczek von der Universit?t Jena. ?Doch um das Feld der Anwendungen zu erweitern, ist es mitunter notwendig, zus?tzlich auch Informationen über die w?hrend der Belastung lokal vorherrschende Temperatur zu erhalten – gerade dann, wenn die Anregung mittels Ultraschall erfolgt. Hier waren wir zun?chst ganz einfach an Sensormaterialien in Form feinster Partikel interessiert, die – in eine zu untersuchende Umgebung eingebracht – durch ?u?ere Ultraschallanregung sowohl auf ihre Umgebung einwirken k?nnen, als auch Informationen über diese Einwirkung rückkoppeln.“

Dafür haben die Jenaer Wissenschaftler einen Oxysulfid-Halbleiter mit der seltenen Erde Erbiumoxid kombiniert. Die halbleitende Struktur nimmt dann die mechanische Anregung durch Ultraschall auf – das Erbiumoxid liefert die Lichtemission. Aus dem Spektrum des emittierten Lichts kann dann mittels sogenannter optischer Thermometrie die Temperatur herausgelesen werden. ?Somit haben wir immer die volle Kontrolle über die Temperaturentwicklung im Material, die sich zus?tzlich durch den Ultraschall beeinflussen l?sst“, erkl?rt Wondraczek. ?Wir k?nnen von au?en eine Temperaturerh?hung anregen, diese durch die Lichtemission messen und dadurch einen vollst?ndigen Steuerungs?kreislauf aufbauen.“

Einsatz in der photodynamischen Therapie

Die ferngesteuerte Lichtemission verbunden mit der Temperaturkontrolle er?ffnet für derartige mechanolumineszente Materialien ganz neue Anwendungsbereiche, beispielsweise in der Medizin. ?Ein m?gliches Einsatzgebiet k?nnte dabei die photodyna?mische Therapie sein, bei der mit Hilfe von Licht photophysikalische Prozesse gesteuert werden, die den Organismus bei der Heilung unterstützen k?nnen“, sagt der Jenaer Materialwissenschaftler. Mit mehrfach-responsiven mechanolumineszenten Materialien in Form feinster Partikeln k?nnte so an einer gewünschten Stelle nicht nur Licht und W?rme generiert, sondern auch gezielt gesteuert werden. Da biologisches Gewebe für das emittierte Infrarotlicht transparent ist, kann man w?hrend der Behandlung von au?en eine gewünschte Temperatur einstellen und kontrollieren. ?Solche Ideen stehen jedoch noch sehr am Anfang. Um sie in die Praxis umzusetzen, ben?tigt es noch sehr umfangreiche Forschungs- und Studienarbeit.“

N?herliegend sind da andere Anwendungen, bei denen Licht und W?rme gezielt an dunkle Orte gebracht werden sollen. So k?nnten zum Beispiel die Photosynthese oder andere lichtgetriebene Reaktionen gezielt ausgel?st, beobachtet und gesteuert werden. Ebenso kann – zurück zum Anfang – das Material als Sensor für die Erzeugung oder Beobachtung von Materialver?nderungen oder auch als unsichtbare, codierte Markierung auf Material?oberfl?chen eingesetzt werden.