長壽命摩擦／力致發光材料取得新進展

摩擦/力致發光是指材料在摩擦學、力學等刺激下產生的一種發光行為。由于其獨特的摩擦學/力學-光學響應特性，摩擦/力致發光為實現摩擦學/力學傳感及其可視化提供了新思路和新途徑。目前發現的摩擦/力致發光材料多數僅表現出動態摩擦學、力學刺激下的瞬態發射行為，極大地限制了其在摩擦學/力學的可視化顯示和成像方面的應用。

長壽命摩擦/力致發光材料的開發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摩擦學、力學刺激后持續、長壽命的摩擦/力致發光現象。然而，該類長壽命摩擦/力致發光材料在使用前必須經歷預輻照，在其結構內部預先儲存能量，這不僅增加了實際應用時操作的難度，也難以實現該類材料的循環穩定使用。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗摩擦物理與傳感課題組王趙鋒研究員團隊長期致力于摩擦/力致發光研究。

此前，該團隊通過陷阱工程發展出了多種長壽命摩擦/力致發光材料（Materials Horizons, 2019, 6, 2003-2008; Nano Energy, 2021, 83, 105860; Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2100137），并針對非壓電、非陷阱摩擦/力致發光現象，提出了界面摩擦電場誘導電子轟擊發光模型（Nano Energy, 2022, 96, 107075）。

在上述研究工作的指導下，最近，該團隊研制出一種自充能、長壽命摩擦/力致發光材料——Sr₃Al₂O₅Cl₂:Dy³⁺/PDMS （SAOCD/PDMS），該材料在摩擦學、力學的刺激下，無需預輻照即可產生明亮的長壽命摩擦/力致發光（圖1），有效地避免了此前材料在使用時的預輻照需求，極大提升了長壽命摩擦/力致發光材料的應用便利性。

圖1 SAOCD/PDMS的自充能、長壽命摩擦/力致發光性能

為揭示SAOCD/PDMS的自充能、長壽命摩擦/力致發光原理，研究人員進一步分析了材料的熱釋光、陰極射線發光、摩擦電性能及發光的基體效應。結果表明，界面摩擦電場誘導電子轟擊物理過程是SAOCD/PDMS產生自充能、長壽命摩擦/力致發光的關鍵。在機械刺激下，SAOCD顆粒與PDMS鏈間產生界面摩擦電作用，使得電子從SAOCD遷移到PDMS。之后，在界面摩擦電場的作用下，PDMS上的電子加速轟擊SAOCD，引起SAOCD內部電子從價帶躍遷到導帶。躍遷至導帶的電子一部分轉移至Dy³⁺的特征能級，產生自激活摩擦/力致發光，另一部分電子被結構中陷阱（主要是淺陷阱）所捕獲，該過程即為自充能。在機械刺激后，這些自充能電子在室溫下將會自發轉移至導帶和Dy³⁺的特征能級，從而產生獨特的自充能、長壽命摩擦/力致發光現象（圖2）。

圖2 SAOCD/PDMS的自充能、長壽命摩擦/力致發光機理

自充能、長壽命摩擦/力致發光的發現，克服了傳統長壽命摩擦/力致發光材料對預輻照的需求，其在持續力學顯示和成像方面具有重要的應用價值。同時，研究人員通過利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理過程，進一步發展出了一種摩擦學和力學信息的存儲與可視化讀取技術。如圖3所示，在機械刺激下，摩擦學、力學信息將會以陷阱捕獲載流子的方式在材料內部進行存儲，隨后，在熱刺激下，所存儲的摩擦學、力學信息將以可視化的形式得到讀取，所存儲和讀取的摩擦學、力學信息主要包括摩擦學/力學強度、發生時間及其空間分布等。

圖3 基于SAOCD/PDMS自充能過程的摩擦學、力學信息存儲與可視化讀取

相關結果近期以“Self-charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”為題發表在Advanced Science期刊上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203249）。中國科學院大學博士生白永慶為該論文第一作者，王趙鋒研究員為通訊作者。蘭州大學梁永民教授和深圳大學彭登峰研究員對該工作提供了重要指導。

以上工作得到了甘肅省杰出青年基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、蘭州化物所“一三五”重點培育項目等的支持。