全球实时：中科院团队研发自充能的长寿命摩擦发光材料，告别预充能步骤实现长期发光，有力推动摩擦发光材料迈向实际应用

来源：DeepTech深科技 　2022-10-28 09:36:49


(资料图片)

不用插电，就能让灯泡发光？是的，并非利用常见的太阳能发电，而是借助一种摩擦发光材料。
近日，中科院兰州化物所研究员 团队研制出一种新型摩擦发光材料——自充能的长寿命摩擦发光材料。
图 | 王赵锋（来源： ）
在无需预充能、以及任何预处理的情况下，只需机械力学刺激直接就能让材料产生持续的摩擦发光效果。
同时，本次工作也解决了摩擦发光的瞬态发射、以及需要预辐照的问题，让摩擦发光真正具备实用性， 跨越了摩擦发光应用道路上的一个重要台阶，将有力推动摩擦发光材料迈向实用型照明、显示和成像等实际应用。
（来源： Advanced Science ）
在应用上，可以用它来制作无源化发光显示器件，所制备的器件不用接电源就能发光，从而产生显示相应的效果。
在风能丰富的沿海地带，凭借风力就能驱动这种器件呈现显示效果，如果用它替换掉耗电类广告牌，每年将节约大量的能源。
甚至，当人们在海上或野外遇险时，还可用它来发射求救信号，毕竟没有电它也能发光。
其次，还可以用它把看不到的力学信息，以可见光的形式展示出来，也就是力学的可视化。比如，使用摩擦发光制作出一种力学可视化器件，即可实现对于风力的感知，并以肉眼可见的发光展现出来，它发出的不同颜色的光，还可对应着不同的海面风力级别。
也可用它来监测海洋的潮汐运动，为渔民出海捕鱼的安全性提供判断依据。“最后，自充能、长寿命摩擦发光还给我们带来了一种新应用，那就是机械力学的存储和读取，这也算是一种惊喜吧。” 说。
可以说，摩擦发光不仅能把看不见的力学信息，转换成肉眼可见的光信号，还能把这些力学信息储存起来以供人们随时读取。
要知道，工业生产中机械设备的故障几乎都是力学问题引起的，而这样一种涉及到摩擦学、力学存储和读取的技术，可帮助我们更好地掌握设备运转时的力学信息，从而有效避免相关安全事故。
（来源： Advanced Science ）
此摩擦非彼摩擦
摩擦，随处可见。过程中也伴随着很多有趣的物理现象。例如，我们搓动双手时会明显感觉到手掌发热，冬天脱毛衣时会听到噼里啪啦的火花声，这两种现象分别叫做摩擦生热和摩擦起电，相信大家都不陌生。
而 的研究领域则是另外一种摩擦物理现象——摩擦发光。顾名思义，摩擦发光是指材料或物体，在摩擦过程中产生的发光现象。
更广义地来讲，任何由机械力学引起的物体直接发光的现象，都被称为摩擦发光。学界则将其称之为机械发光或力致发光。
需要注意的是，这里的发光和脱毛衣时的电火花并不一样。摩擦发光所产生的光，其发射效果与手机、电视等屏幕的发光是一样的，因此很适合用于照明、显示和成像应用。
（来源： Advanced Science ）
你可能会认为，施加机械力就能发光，并能达到显示和成像的效果，那么这种材料用到生活上，不是很节能、很环保吗？
毕竟，我们可以利用风能和潮汐能让物体发光，也可以利用机器设备运转时附带的机械能使它发光，甚至人们在走路时的机械能都能驱动它发光，从而在任何没有电源的情况下，依然能产生图案发光显示的效果，以起到装饰、信号传递或警示目的。
毫无疑问，这些想法都是合理可行的，也正是近年来摩擦发光得到越来越多学者青睐的原因。
但是，在用于照明、显示和成像时，传统的摩擦发光存在一个很重要的缺陷： 即它是机械力学作用下的一个瞬态发光行为。而人类需要的这些应用，必须能够持久地发光。
因此，开发长寿命摩擦发光材料是当前的一个重要需求。之前，其他课题组包括 团队，都发展出了一些长寿命摩擦发光材料。但是，这些材料在使用之前必须经历一个预先充能的过程，例如用紫外灯预先辐照 10 分钟。
只有预先在材料内部储存足够的能量，才能在力学刺激下持续地释放能量，产生持续的发光效果。
说：“可别小看这么一个预充能的步骤，它严重影响了这类长寿命摩擦发光材料的实用性，因为我们不可能随时随地给它配备预充能的光源或电源，也不可能每发一次光、就操作预充能一次，这样的话所得到的发光和显示，已经没有实际意义和价值了。”
而本次工作在这方面取得了新突破。通过揭示这种自充能、长寿命摩擦发光的原理，课题组利用它的物理过程，进一步开发出一种新型的机械力学信息存储与读取的技术，在分析仪器故障、设备定损、事故定责等方面，可以为人们提供科学的判断依据。
近日，相关论文以《具有力学存储和可视化行为的自充能持久性机械发光》（ ）为题发在 Advanced Science （IF 17.5）上 [1]，白永庆担任第一作者， 担任通讯作者。
图 | 相关论文 （来源： Advanced Science ）
表示：“期刊编辑找了三位审稿人，从评审意见来看，感觉他们分别是力学、光学和电学方面背景的专家。可能因为此次研究涉及到光学、电学、机械力学、材料等，编辑希望能从多学科角度来评判。值得庆贺的是，三个专家均对我们的工作给出了很高的评价。”
他继续说道，审稿人 1 应该是力学背景方面的专家，对方认为此次工作可为机械工程、生物工程、人工智能等领域的力学问题带来新方案。审稿人 3 应该是电学背景的专家，其表示该团队报道了一种具有新机理的摩擦发光材料，对于相关领域来说非常重要。
不要局限在前人思路里
表示，研究初心在于希望把摩擦发光应用到生活中，为应对当前的能源危机提供新型解决方案。
有了研究目标，他和团队很快找到了当前阻碍摩擦发光应用的最核心问题——发光寿命短、依赖预辐照。
立项之后，则要设计方案。“在这方面，我们基于前期扎实的研究基础，提出了由机械力学直接向材料中浅陷阱结构充能的方案，来同时解决材料的发光寿命短和依赖预辐照的问题。”他表示。
（来源： Advanced Science ）
设计好方案之后，还得反复做实验。 说：“在这一点上，我的博士生白永庆非常给力，在双阴离子化合物中成功得到了我们想要的结果。”
另外，这次研究也让 总结出一条“金律”：千万不要被一些传统认知所束缚。他说：“记得刚开展此次工作时，领域内普遍认为不需要预辐照的摩擦发光只能在压电体系里获得，像 ZnS:Cu 就是这样的材料。但是，不需要预辐照、同时又具有长寿命的摩擦发光材料还没有。”
当时，研究小组的思路自然而然地局限在压电体系里面，如果能在 ZnS:Cu 这样类似的压电体系里面进行陷阱设计，也许就能得到自充能、长寿命的摩擦发光材料。
“怀揣美好的梦想，现实中却迎来了一次又一次的打击，从压电体系里获得想要的材料这条路并没有走通。” 说。
随后，他和大家在组会上进行讨论，有的同学开始怀疑前面的设想，认为科研工作并不是想到、就一定能做到。
但是， 和白永庆并没有放弃。理由很简单，此前只尝试了压电体系，还有很多体系都没有尝试，所以不能轻易下结论，也不能轻易放弃。
接着，他在组会上引导大家突破压电体系的局限，比如是否能在非压电体系里面去尝试？虽然没有压电性或压电场，但是它们还有摩擦电场。
同时， 也总结出一个规律——ZnS:Cu 这种压电相关的摩擦发光材料只是个例，并不具备普遍性，不应该一直被它左右想法。
于是，白永庆开始研究非压电体系，并从摩擦电场的设计角度筛选材料，很快就在 Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS 的复合材料体系中，得到了想要的结果，验证了起初的想法。
（来源： Advanced Science ）
“可以说，如果当时我们随大流，局限在前人思路里去开展工作，是不可能研发出自充能、长寿命摩擦发光材料的。这项工作的成功，让所有成员在思想和认识方面都得到了很大提升。” 说。
后续，只需对其综合性能进行优化，例如亮度、持续时间、发光颜色等，即可在生活中得到应用。另一方面，课题组还 将基于该工作的基础理论研究，设计和发展出性能更加丰富的新材料，将它们以器件的形式应用到人类生活和生产活动里。

参考资料：

1.Bai, Y., Guo, X., Tian, B., Liang, Y., Peng, D., & Wang, Z. (2022). Self‐Charging Persistent Mechanoluminescence with Mechanics Storage and Visualization Activities. Advanced Science , 9(28), 2203249.

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关键词： 摩擦发光 机械力学 的情况下

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