摩擦/力致發(fā)光是指材料在摩擦學(xué)、力學(xué)等刺激下產(chǎn)生的一種發(fā)光行為。由于其獨(dú)特的摩擦學(xué)/力學(xué)-光學(xué)響應(yīng)特性，摩擦/力致發(fā)光為實(shí)現(xiàn)摩擦學(xué)/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)的摩擦/力致發(fā)光材料多數(shù)僅表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)摩擦學(xué)、力學(xué)刺激下的瞬態(tài)發(fā)射行為，極大地限制了其在摩擦學(xué)/力學(xué)的可視化顯示和成像方面的應(yīng)用。

　　長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料的開發(fā)是應(yīng)對(duì)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摩擦學(xué)、力學(xué)刺激后持續(xù)、長(zhǎng)壽命的摩擦/力致發(fā)光現(xiàn)象。然而，該類長(zhǎng)壽命摩擦/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。

　　中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ廖锢砼c傳感課題組王趙鋒研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于摩擦/力致發(fā)光研究。

　　此前，該團(tuán)隊(duì)通過陷阱工程發(fā)展出了多種長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料（Materials Horizons, 2019, 6, 2003-2008; Nano Energy, 2021, 83, 105860; Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2100137），并針對(duì)非壓電、非陷阱摩擦/力致發(fā)光現(xiàn)象，提出了界面摩擦電場(chǎng)誘導(dǎo)電子轟擊發(fā)光模型（Nano Energy, 2022, 96, 107075）。

　　在上述研究工作的指導(dǎo)下，最近，該團(tuán)隊(duì)研制出一種自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料——Sr₃Al₂O₅Cl₂:Dy³⁺/PDMS （SAOCD/PDMS），該材料在摩擦學(xué)、力學(xué)的刺激下，無需預(yù)輻照即可產(chǎn)生明亮的長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光（圖1），有效地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(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料的應(yīng)用便利性。

圖1 SAOCD/PDMS的自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光性能

　　為揭示SAOCD/PDMS的自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光原理，研究人員進(jìn)一步分析了材料的熱釋光、陰極射線發(fā)光、摩擦電性能及發(fā)光的基體效應(yīng)。結(jié)果表明，界面摩擦電場(chǎng)誘導(dǎo)電子轟擊物理過程是SAOCD/PDMS產(chǎn)生自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光的關(guān)鍵。在機(jī)械刺激下，SAOCD顆粒與PDMS鏈間產(chǎn)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(chǎng)的作用下，PDMS上的電子加速轟擊SAOCD，引起SAOCD內(nèi)部電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。躍遷至導(dǎo)帶的電子一部分轉(zhuǎn)移至Dy³⁺的特征能級(jí)，產(chǎn)生自激活摩擦/力致發(fā)光，另一部分電子被結(jié)構(gòu)中陷阱（主要是淺陷阱）所捕獲，該過程即為自充能。在機(jī)械刺激后，這些自充能電子在室溫下將會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶和Dy³⁺的特征能級(jí)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光現(xiàn)象（圖2）。

圖2 SAOCD/PDMS的自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光機(jī)理

　　自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光的發(fā)現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料對(duì)預(yù)輻照的需求，其在持續(xù)力學(xué)顯示和成像方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，研究人員通過利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理過程，進(jìn)一步發(fā)展出了一種摩擦學(xué)和力學(xué)信息的存儲(chǔ)與可視化讀取技術(shù)。如圖3所示，在機(jī)械刺激下，摩擦學(xué)、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)的摩擦學(xué)、力學(xué)信息將以可視化的形式得到讀取，所存儲(chǔ)和讀取的摩擦學(xué)、力學(xué)信息主要包括摩擦學(xué)/力學(xué)強(qiáng)度、發(fā)生時(shí)間及其空間分布等。

圖3 基于SAOCD/PDMS自充能過程的摩擦學(xué)、力學(xué)信息存儲(chǔ)與可視化讀取

　　相關(guān)結(jié)果近期以“Self-charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203249）。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)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(xué)梁永民教授和深圳大學(xué)彭登峰研究員對(duì)該工作提供了重要指導(dǎo)。

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