科研進展
蘭州化物所自恢復(fù)摩擦/力致發(fā)光研究獲新進展
摩擦/力致發(fā)光材料能將機械力學(xué)信號直接轉(zhuǎn)化成光信號,在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物力學(xué)傳感、人工智能、人機交互等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而,現(xiàn)有摩擦/力致發(fā)光材料普遍存在難以自恢復(fù)、重復(fù)性差以及易受環(huán)境干擾等問題,嚴重限制了其實際應(yīng)用。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點實驗室王趙鋒研究員團隊長期從事摩擦/力致發(fā)光機理、性能調(diào)控及器件研究。此前,研究人員針對普遍存在的非陷阱、非壓電型摩擦/力致發(fā)光,提出了界面摩擦電場誘導(dǎo)電子轟擊發(fā)光模型(Nano Energy,2022,96,107075),基于該模型,進一步發(fā)展出多種無需預(yù)充能的自恢復(fù)摩擦/力致發(fā)光材料(Chemical Engineering Journal,2023,456,141122;2023,474,145542;Materials Today Chemistry,2024,36,101917),并且創(chuàng)制出一種可由機械力學(xué)充能的長壽命摩擦/力致發(fā)光材料(Advanced Science,2022,2203249)。
最近,該團隊發(fā)展出了一種基于界面摩擦電場誘導(dǎo)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(fù)合材料(Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS,圖1)。無需預(yù)充能,該材料在機械力學(xué)的刺激下可直接展現(xiàn)出明亮的藍色摩擦/力致發(fā)光。
圖1. Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS的復(fù)合結(jié)構(gòu)及摩擦/力致發(fā)光性能。
相較于已報道的自恢復(fù)摩擦/力致發(fā)光體系,Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料進一步克服了摩擦/力致發(fā)光的重復(fù)性和穩(wěn)定性不足的問題。在10Hz連續(xù)拉伸條件下,該材料可持續(xù)展現(xiàn)出近1000次肉眼可見的藍色發(fā)光。此外,Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS復(fù)合材料在298-473K溫度范圍內(nèi)還展現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)定性能(圖2)。Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料的上述摩擦/力致發(fā)光性能主要得益于Ca6BaP4O17:Ce3+獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)以及PDMS較強的電子吸附能力,二者在界面摩擦?xí)r的協(xié)同效應(yīng)使得界面摩擦電場誘導(dǎo)電子轟擊發(fā)光過程更加有效。
圖2. Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS的重復(fù)性、熱穩(wěn)定性和自恢復(fù)性能。
在自恢復(fù)、可重復(fù)、熱穩(wěn)定摩擦/力致發(fā)光性能開發(fā)基礎(chǔ)上,該工作進一步開展了Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料在雙模式信息存儲和智能光子皮膚方面的應(yīng)用展示。
圖3. Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS材料在信息存儲和光子皮膚方面的應(yīng)用展示。
該研究針對當前自恢復(fù)摩擦/力致發(fā)光在實際應(yīng)用中面臨的重復(fù)性和穩(wěn)定性不足問題,提出了創(chuàng)新解決方案,為摩擦/力致發(fā)光的性能設(shè)計與調(diào)控、新材料開發(fā)提供了新穎的研究思路,對于摩擦/力致發(fā)光材料的發(fā)展及實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
相關(guān)研究成果以“Self-Recoverable,Highly Repeatable,and Thermally Stable Mechanoluminescence for Dual-Mode Information Storage and Photonic Skin Applications”為題,發(fā)表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2024,2401535,https://doi.org/10.1002/adfm.202401535)上。蘭州化物所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生覃世業(yè)為論文的第一作者,蘭州化物所王趙鋒研究員、魏萬媛助理研究員和蘭州大學(xué)張加馳教授為論文共同通訊作者。
該工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院區(qū)域發(fā)展青年學(xué)者項目等支持。