长寿命摩擦／力致发光材料取得新进展

摩擦/力致发光是指材料在摩擦学、力学等刺激下产生的一种发光行为。由于其独特的摩擦学/力学-光学响应特性，摩擦/力致发光为实现摩擦学/力学传感及其可视化提供了新思路和新途径。目前发现的摩擦/力致发光材料多数仅表现出动态摩擦学、力学刺激下的瞬态发射行为，极大地限制了其在摩擦学/力学的可视化显示和成像方面的应用。

长寿命摩擦/力致发光材料的开发是应对上述问题的有效方式，此前，研究人员通过陷阱工程设计，在特定材料体系中获得了摩擦学、力学刺激后持续、长寿命的摩擦/力致发光现象。然而，该类长寿命摩擦/力致发光材料在使用前必须经历预辐照，在其结构内部预先储存能量，这不仅增加了实际应用时操作的难度，也难以实现该类材料的循环稳定使用。

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验摩擦物理与传感课题组王赵锋研究员团队长期致力于摩擦/力致发光研究。

此前，该团队通过陷阱工程发展出了多种长寿命摩擦/力致发光材料（Materials Horizons, 2019, 6, 2003-2008; Nano Energy, 2021, 83, 105860; Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2100137），并针对非压电、非陷阱摩擦/力致发光现象，提出了界面摩擦电场诱导电子轰击发光模型（Nano Energy, 2022, 96, 107075）。

在上述研究工作的指导下，最近，该团队研制出一种自充能、长寿命摩擦/力致发光材料——Sr₃Al₂O₅Cl₂:Dy³⁺/PDMS （SAOCD/PDMS），该材料在摩擦学、力学的刺激下，无需预辐照即可产生明亮的长寿命摩擦/力致发光（图1），有效地避免了此前材料在使用时的预辐照需求，极大提升了长寿命摩擦/力致发光材料的应用便利性。

图1 SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光性能

为揭示SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光原理，研究人员进一步分析了材料的热释光、阴极射线发光、摩擦电性能及发光的基体效应。结果表明，界面摩擦电场诱导电子轰击物理过程是SAOCD/PDMS产生自充能、长寿命摩擦/力致发光的关键。在机械刺激下，SAOCD颗粒与PDMS链间产生界面摩擦电作用，使得电子从SAOCD迁移到PDMS。之后，在界面摩擦电场的作用下，PDMS上的电子加速轰击SAOCD，引起SAOCD内部电子从价带跃迁到导带。跃迁至导带的电子一部分转移至Dy³⁺的特征能级，产生自激活摩擦/力致发光，另一部分电子被结构中陷阱（主要是浅陷阱）所捕获，该过程即为自充能。在机械刺激后，这些自充能电子在室温下将会自发转移至导带和Dy³⁺的特征能级，从而产生独特的自充能、长寿命摩擦/力致发光现象（图2）。

图2 SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光机理

自充能、长寿命摩擦/力致发光的发现，克服了传统长寿命摩擦/力致发光材料对预辐照的需求，其在持续力学显示和成像方面具有重要的应用价值。同时，研究人员通过利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理过程，进一步发展出了一种摩擦学和力学信息的存储与可视化读取技术。如图3所示，在机械刺激下，摩擦学、力学信息将会以陷阱捕获载流子的方式在材料内部进行存储，随后，在热刺激下，所存储的摩擦学、力学信息将以可视化的形式得到读取，所存储和读取的摩擦学、力学信息主要包括摩擦学/力学强度、发生时间及其空间分布等。

图3 基于SAOCD/PDMS自充能过程的摩擦学、力学信息存储与可视化读取

相关结果近期以“Self-charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”为题发表在Advanced Science期刊上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203249）。中国科学院大学博士生白永庆为该论文第一作者，王赵锋研究员为通讯作者。兰州大学梁永民教授和深圳大学彭登峰研究员对该工作提供了重要指导。

以上工作得到了甘肃省杰出青年基金、中科院战略性先导科技专项（B类）、兰州化物所“一三五”重点培育项目等的支持。