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力致發(fā)光是指材料在力學刺激下產(chǎn)生的一種發(fā)光行為。由于其獨特的力學-光學響應特性，力致發(fā)光為實現(xiàn)力學傳感及其可視化提供了新思路和新途徑。目前發(fā)現(xiàn)的力致發(fā)光材料多數(shù)僅表現(xiàn)出動態(tài)力學刺激下的瞬態(tài)發(fā)射行為，極大地限制了其在力學的可視化顯示和成像方面的應用。可持續(xù)力致發(fā)光材料能夠在力學刺激停止后繼續(xù)保持發(fā)光行為，對可持續(xù)力致發(fā)光材料的開發(fā)是應對上述問題的有效方式。此前，研究人員通過陷阱工程設計，在特定材料體系中獲得了力學刺激后可持續(xù)的力致發(fā)光現(xiàn)象。然而，該類可持續(xù)力致發(fā)光材料在使用前必須經(jīng)歷預輻照，在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部預先儲存能量，這不僅增加了實際應用時操作的難度，也難以實現(xiàn)該類材料的循環(huán)穩(wěn)定使用。因此，實現(xiàn)無需預輻照的自充能、可持續(xù)力致發(fā)光成為當前研究的熱點之一。
中國科學院蘭州化學物理研究所王趙鋒團隊在國際知名期刊Advanced Science上發(fā)表的題為“Self‐charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”的研究論文。本文研制出一種自充能、可持續(xù)力致發(fā)光材料——Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS（SAOCD/PDMS），該材料在力學的刺激下，無需預輻照即可產(chǎn)生明亮的長壽命力致發(fā)光，有效避免了此前材料在使用時的預輻照需求，極大提升了長壽命力致發(fā)光材料的應用便利性。
本工作通過將SAOCD (SAOCD) 粉末復合到PDMS基質(zhì)中，創(chuàng)建了一種新型的力致發(fā)光材料，即自充能、可持續(xù)力致發(fā)光材料。無需任何預輻照，所制備的SAOCD/PDMS彈性體可以直接在力學刺激下表現(xiàn)出強烈且持久的力致發(fā)光，這極大地促進了其在力學照明、顯示、成像和可視化中的應用。通過研究基體效應以及熱釋光、陰極發(fā)光和摩擦電特性，界面摩擦起電誘導的電子轟擊過程被證明是機械刺激下SAOCD中自充能能量的原因。基于獨特的自充電過程，SAOCD/PDMS進一步展現(xiàn)出力學存儲和可視化讀取行為，為機械工程、生物工程和人工智能領域處理力學相關問題帶來了新穎的思路和方法。
圖1 SAOCD/PDMS復合彈性體的制備流程、性狀及力致發(fā)光性能
當施加拉伸、摩擦、壓縮等力學刺激時，復合彈性體呈現(xiàn)出直接的自激活力致發(fā)光，不需要額外的預輻照（圖1c）。復合彈性體的力致發(fā)光性能隨SAOCD顆粒中Dy的含量增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢（圖1d）。隨著施加應變的增加，SAOCD/PDMS彈性體的ML強度隨之增加，其在應力/應變傳感方面表現(xiàn)出良好的應用價值。此外，該復合彈性體的力致發(fā)光還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性（圖1f）。
圖2 （a）SAOCD的力致發(fā)光和余輝示意圖；（b）SAOCD/PDMS復合彈性體在拉伸、摩擦、壓縮條件下的力致發(fā)光和余輝照片；（c）不同濃度Dy離子摻雜SAOCD/PDMS復合彈性體的摩擦余輝光譜圖。
該材料在力學的刺激下，無需預輻照即可產(chǎn)生明亮的長壽命力致發(fā)光（圖2），有效避免了此前材料在使用時的預輻照需求，極大提升了可持續(xù)力致發(fā)光材料的應用便利性。
圖3 SAOCD的自激活力致發(fā)光及余輝機理
明確了SAOCD/PDMS的自激活力致發(fā)光和余輝的物理過程，即在外力刺激下SAOCD與PDMS產(chǎn)生界面摩擦電作用，SAOCD的電子轉(zhuǎn)移到PDMS表面，SAOCD與PDMS間形成高能電場，PDMS表面電子被加速，轟擊SAOCD，使得SAOCD中的電子受激從價帶躍遷至導帶，一部分直接和發(fā)光中心結(jié)合產(chǎn)生力致發(fā)光，另一部分被陷阱捕獲，外力撤除后自發(fā)釋放轉(zhuǎn)移至發(fā)光中心產(chǎn)生余輝。
圖4 （a）力致發(fā)光復合材料的應力存儲和可視化讀取示意圖；（b）SAOCD/PDMS復合彈性體對機械力學信息的存儲、讀取原理及功能展示。
通過利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理過程，進一步發(fā)展出了一種力學信息的存儲與可視化讀取技術（圖4）。在機械刺激下，力學信息將會以陷阱捕獲載流子的方式在材料內(nèi)部進行存儲，隨后，在熱刺激下，所存儲的力學信息將以可視化的形式得到讀取，所存儲和讀取的力學信息主要包括力學強度、發(fā)生時間及其空間分布等。
王趙鋒簡介：中國科學院蘭州化學物理研究所研究員，博士生導師，2006年畢業(yè)于蘭州大學材料化學專業(yè)，獲理學學士學位，2011年畢業(yè)于蘭州大學材料物理與化學專業(yè)，獲工學博士學位。2011年至今，先后于中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室、美國德克薩斯州立大學化學與生物化學系、美國康涅狄格大學材料科學研究所進行科學研究。主要研究方向為摩擦/力致發(fā)光材料及應用，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊發(fā)表論文100余篇（被引用5000余次，h因子40），編寫書籍章節(jié)兩部，申請/授權(quán)國家發(fā)明**10余項，研究成果被國內(nèi)外知名媒體如中國科學報、中國科普博覽、人民日報、中科院之聲、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等專題報道。現(xiàn)為國內(nèi)知名期刊《稀土學報（英文版）》、《材料導報》、《發(fā)光學報》青年編委，以及中國機械工程學會表面工程分會青年學組特邀專家。2015年獲美國環(huán)境保護署P3提名獎，2017年獲甘肅省自然科學二等獎，2018年獲中科院高層次人才計劃擇優(yōu)支持，2020年獲甘肅省杰出青年基金支持，所帶領的研究團隊獲2021年度甘肅省“青年安全生產(chǎn)示范崗”榮譽稱號，2022年獲中科院區(qū)域發(fā)展青年學者稱號。
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本研究的力致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)采用卓立漢光搭建的組合熒光系統(tǒng)采集，配置Omni-λ300i系列“影像譜王”光柵光譜儀對光譜進行分光。
目前，該組合熒光系統(tǒng)已經(jīng)升級為OmniFluo900 系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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