科研進(jìn)展
蘭州化物所摩擦/力致發(fā)光研究取得系列進(jìn)展
摩擦/力致發(fā)光是指材料在受到機械力學(xué)作用時(shí)可將機械能轉化成光能的一種物理現象。由于摩擦/力致發(fā)光獨特的能源利用方式及其可視化、分布式力學(xué)響應特征，摩擦/力致發(fā)光材料在新一代顯示與成像器件、結構健康監測、生物力學(xué)傳感、人工智能、人機交互等領(lǐng)域展現出巨大的應用前景。然而，摩擦/力致發(fā)光的機理較為復雜，材料普遍存在亮度低、自恢復、重復性能差以及易受環(huán)境干擾等問(wèn)題，嚴重限制了其實(shí)際應用。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗室摩擦物理與傳感課題組王趙鋒研究員團隊長(cháng)期從事摩擦/力致發(fā)光研究，在該領(lǐng)域發(fā)現了復合型、自激活摩擦/力致發(fā)光（Materials Horizons,2019,6,2003），提出了界面摩擦電場(chǎng)誘導電子轟擊發(fā)光物理模型（Nano Energy,2022,96,107075），基于該模型，進(jìn)一步創(chuàng )制出自充能、長(cháng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料及性能（Advanced Science,2022,9,2203249）。
近期，該團隊聯(lián)合浙江大學(xué)、蘭州大學(xué)等機構科研人員在摩擦/力致發(fā)光機理、材料及性能調制方面取得了系列進(jìn)展。通過(guò)對經(jīng)典摩擦/力致發(fā)光材料ZnS:Cu的合成工藝及相結構的精準調控，解耦其發(fā)光物理過(guò)程，證實(shí)ZnS:Cu的摩擦/力致發(fā)光與其壓電性正相關(guān)（ACS Nano,2025,19,36578）。在復合型、自激活摩擦/力致發(fā)光機理研究方面，該團隊基于實(shí)驗結果，提出了“復合彈性體宏觀(guān)受力后可在界面處產(chǎn)生高能輻射”的創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)，建立了基于高能輻射缺陷的自充能、長(cháng)壽命摩擦/力致發(fā)光設計策略（圖1；Small,2025,21,e06203）。此外，針對摩擦/力致發(fā)光材料復合的穩定性和均一性問(wèn)題，團隊近期還開(kāi)發(fā)出一種基于力致發(fā)光的應力傳感水凝膠，不僅解除了傳統摩擦/力致發(fā)光材料僅能應用于疏水環(huán)境的限制，還為生物力學(xué)監測與傳感提供了新思路和新途徑（Advanced Functional Materials,2025,35,2420142）。
圖1.?SLMPD/PDMS在紫外輻照、X射線(xiàn)輻照和拉伸刺激前后的光譜對比，以及界面高能輻射缺陷物理機制。
在復合型、自激活摩擦/力致發(fā)光研究方面，團隊進(jìn)一步克服了其在自恢復和循環(huán)穩定性方面的不足，發(fā)展出了一種基于界面摩擦電場(chǎng)誘導電子轟擊發(fā)光模型的稀土摻雜磷酸鹽基摩擦/力致發(fā)光復合材料（Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS）。無(wú)需預充能，該材料在機械力學(xué)的刺激下可直接展現出明亮的藍色發(fā)光，并可循環(huán)顯示1000次左右（Advanced Functional Materials,2024,34,2401535）。通過(guò)對界面摩擦電勢及輻射躍遷效率調控，團隊進(jìn)一步構筑出一種在高頻拉伸刺激下具有高重復性和高穩定性的力致發(fā)光復合彈性體（CaBa4(PO4)3Cl:Eu/PDMS），該材料可展現出20000次以上的重復、穩定摩擦/力致發(fā)光（圖2），為該領(lǐng)域長(cháng)期存在的循環(huán)穩定性不足問(wèn)題提供了有效解決方案（Advanced Materials,2025,37,2505071）。
基于團隊在高穩定性摩擦/力致發(fā)光復合彈性體方面的重要成果，北京科技大學(xué)劉泉林教授在Matter上發(fā)表評論文章，通篇評論了王趙鋒研究員團隊在此方面的最新研究進(jìn)展并給予了高度評價(jià)（Matter,2025,8,102349），反映出該成果對于摩擦/力致發(fā)光領(lǐng)域的重要意義。
圖2. CaBa4(PO4)3Cl:Eu/PDMS復合彈性體的力致發(fā)光重復性和自恢復性。
以上研究工作得到了中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院區域發(fā)展青年學(xué)者項目、中國科學(xué)院“西部之光-西部交叉團隊”專(zhuān)項、甘肅省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目等支持。
