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自充能、可持續(xù)力致發(fā)光
力致發(fā)光是指材料在力學(xué)刺激下產(chǎn)生的一種發(fā)光行為。由于其獨(dú)特的力學(xué)-光學(xué)響應(yīng)特性，力致發(fā)光為實(shí)現(xiàn)力學(xué)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(dòng)態(tài)力學(xué)刺激下的瞬態(tài)發(fā)射行為，極大地限制了其在力學(xué)的可視化顯示和成像方面的應(yīng)用。可持續(xù)力致發(fā)光材料能夠在力學(xué)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(yīng)對上述問題的有效方式。此前，研究人員通過陷阱工程設(shè)計(jì)，在特定材料體系中獲得了力學(xué)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(yù)輻照，在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)先儲(chǔ)存能量，這不僅增加了實(shí)際應(yīng)用時(shí)操作的難度，也難以實(shí)現(xiàn)該類材料的循環(huán)穩(wěn)定使用。因此，實(shí)現(xiàn)無需預(yù)輻照的自充能、可持續(xù)力致發(fā)光成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王趙鋒團(tuán)隊(duì)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(xué)的刺激下，無需預(yù)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(shí)的預(yù)輻照需求，極大提升了長壽命力致發(fā)光材料的應(yīng)用便利性。
本工作通過將SAOCD (SAOCD) 粉末復(fù)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(yù)輻照，所制備的SAOCD/PDMS彈性體可以直接在力學(xué)刺激下表現(xiàn)出強(qiáng)烈且持久的力致發(fā)光，這極大地促進(jìn)了其在力學(xué)照明、顯示、成像和可視化中的應(yīng)用。通過研究基體效應(yīng)以及熱釋光、陰極發(fā)光和摩擦電特性，界面摩擦起電誘導(dǎo)的電子轟擊過程被證明是機(jī)械刺激下SAOCD中自充能能量的原因。基于獨(dú)特的自充電過程，SAOCD/PDMS進(jìn)一步展現(xiàn)出力學(xué)存儲(chǔ)和可視化讀取行為，為機(jī)械工程、生物工程和人工智能領(lǐng)域處理力學(xué)相關(guān)問題帶來了新穎的思路和方法。
自激活、長壽命力致發(fā)光材料的設(shè)計(jì)制備與性能研究
圖1 SAOCD/PDMS復(fù)合彈性體的制備流程、性狀及力致發(fā)光性能
當(dāng)施加拉伸、摩擦、壓縮等力學(xué)刺激時(shí)，復(fù)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(yù)輻照（圖1c）。復(fù)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(yīng)變的增加，SAOCD/PDMS彈性體的ML強(qiáng)度隨之增加，其在應(yīng)力/應(yīng)變傳感方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值。此外，該復(fù)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）。
該材料在力學(xué)的刺激下，無需預(yù)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(shí)的預(yù)輻照需求，極大提升了可持續(xù)力致發(fā)光材料的應(yīng)用便利性。
圖3 SAOCD的自激活力致發(fā)光及余輝機(jī)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(jià)帶躍遷至導(dǎo)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。
機(jī)械力學(xué)信息的存儲(chǔ)與可視化讀取器件研究
通過利用SAOCD/PDMS材料的自充能物理過程，進(jìn)一步發(fā)展出了一種力學(xué)信息的存儲(chǔ)與可視化讀取技術(shù)（圖4）。在機(jī)械刺激下，力學(xué)信息將會(huì)以陷阱捕獲載流子的方式在材料內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后，在熱刺激下，所存儲(chǔ)的力學(xué)信息將以可視化的形式得到讀取，所存儲(chǔ)和讀取的力學(xué)信息主要包括力學(xué)強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間及其空間分布等。
作者簡介
王趙鋒簡介：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，2006年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2011年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。2011年至今，先后于中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、美國德克薩斯州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系、美國康涅狄格大學(xué)材料科學(xué)研究所進(jìn)行科學(xué)研究。主要研究方向?yàn)槟Σ?/span>/力致發(fā)光材料及應(yīng)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)明專利10余項(xiàng)，研究成果被國內(nèi)外知名媒體如中國科學(xué)報(bào)、中國科普博覽、人民日報(bào)、中科院之聲、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等專題報(bào)道。現(xiàn)為國內(nèi)知名期刊《稀土學(xué)報(bào)（英文版）》、《材料導(dǎo)報(bào)》、《發(fā)光學(xué)報(bào)》青年編委，以及中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)青年學(xué)組特邀專家。2015年獲美國環(huán)境保護(hù)署P3提名獎(jiǎng)，2017年獲甘肅省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2018年獲中科院高層次人才計(jì)劃擇優(yōu)支持，2020年獲甘肅省杰出青年基金支持，所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)獲2021年度甘肅省“青年安全生產(chǎn)示范崗”榮譽(yù)稱號，2022年獲中科院區(qū)域發(fā)展青年學(xué)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(jìn)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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