科研進展
蘭州化物所摩擦/力致發(fā)光研究取得系列進展
摩擦/力致發(fā)光是指材料在受到機械力學作用時可將機械能轉(zhuǎn)化成光能的一種物理現(xiàn)象。由于摩擦/力致發(fā)光獨特的能源利用方式及其可視化、分布式力學響應(yīng)特征，摩擦/力致發(fā)光材料在新一代顯示與成像器件、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物力學傳感、人工智能、人機交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而，摩擦/力致發(fā)光的機理較為復(fù)雜，材料普遍存在亮度低、自恢復(fù)、重復(fù)性能差以及易受環(huán)境干擾等問題，嚴重限制了其實際應(yīng)用。
中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室摩擦物理與傳感課題組王趙鋒研究員團隊長期從事摩擦/力致發(fā)光研究，在該領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了復(fù)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誘導電子轟擊發(fā)光物理模型（Nano Energy,2022,96,107075），基于該模型，進一步創(chuàng)制出自充能、長壽命摩擦/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、蘭州大學等機構(gòu)科研人員在摩擦/力致發(fā)光機理、材料及性能調(diào)制方面取得了系列進展。通過對經(jīng)典摩擦/力致發(fā)光材料ZnS:Cu的合成工藝及相結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控，解耦其發(fā)光物理過程，證實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(fù)合型、自激活摩擦/力致發(fā)光機理研究方面，該團隊基于實驗結(jié)果，提出了“復(fù)合彈性體宏觀受力后可在界面處產(chǎn)生高能輻射”的創(chuàng)新觀點，建立了基于高能輻射缺陷的自充能、長壽命摩擦/力致發(fā)光設(shè)計策略（圖1；Small,2025,21,e06203）。此外，針對摩擦/力致發(fā)光材料復(fù)合的穩(wěn)定性和均一性問題，團隊近期還開發(fā)出一種基于力致發(fā)光的應(yīng)力傳感水凝膠，不僅解除了傳統(tǒng)摩擦/力致發(fā)光材料僅能應(yīng)用于疏水環(huán)境的限制，還為生物力學監(jiān)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(fù)合型、自激活摩擦/力致發(fā)光研究方面，團隊進一步克服了其在自恢復(fù)和循環(huán)穩(wěn)定性方面的不足，發(fā)展出了一種基于界面摩擦電場誘導電子轟擊發(fā)光模型的稀土摻雜磷酸鹽基摩擦/力致發(fā)光復(fù)合材料（Ca6BaP4O17:Ce3+/PDMS）。無需預(yù)充能，該材料在機械力學的刺激下可直接展現(xiàn)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）。通過對界面摩擦電勢及輻射躍遷效率調(diào)控，團隊進一步構(gòu)筑出一種在高頻拉伸刺激下具有高重復(fù)性和高穩(wěn)定性的力致發(fā)光復(fù)合彈性體（CaBa4(PO4)3Cl:Eu/PDMS），該材料可展現(xiàn)出20000次以上的重復(fù)、穩(wěn)定摩擦/力致發(fā)光（圖2），為該領(lǐng)域長期存在的循環(huán)穩(wěn)定性不足問題提供了有效解決方案（Advanced Materials,2025,37,2505071）。
基于團隊在高穩(wěn)定性摩擦/力致發(fā)光復(fù)合彈性體方面的重要成果，北京科技大學劉泉林教授在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展并給予了高度評價（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(fù)合彈性體的力致發(fā)光重復(fù)性和自恢復(fù)性。
以上研究工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院區(qū)域發(fā)展青年學者項目、中國科學院“西部之光-西部交叉團隊”專項、甘肅省自然科學基金重點項目等支持。
