【科學院之聲】黃色+綠色:兩種摩擦發光材料的新玩法

  古人通過摩擦發明了鉆木取火,用于烤制食物、取暖和照明,推動了人類文明的進步。相信大家都熟知鉆木取火,可是你了解過或聽說過摩擦發光嗎?這里的發光指的可不是火光。

  早在1605年,弗朗西斯?培根就在他的著作 The Advancement of Learning里明確記錄了當在黑暗中磨壓蔗糖時可以觀測到摩擦發光現象。此后,越來越多的材料被人們發現具有摩擦發光現象。當然,人們也發現,除了摩擦,這些材料在受到其它力學行為作用時也會產生發光,如撞擊、壓縮、拉伸等等。因此,人們也把摩擦發光稱為“力致發光”。

  那么,摩擦發光到底有什么用處呢?首先,相比目前日常生活中所應用的光致發光和電致發光,摩擦發光可以利用無處不在的機械能作為激發源,從而避免了人工產生光/電激發源的需求,因此它更加綠色、環保。此外,它能將外界輸入的機械能直接轉換為光能,有望被用于力學傳感、人工智能等領域。但是,由于摩擦發光是一種瞬態行為,從根本上還是制約了它的真正應用。

  最近,中科院蘭州化學物理研究所王趙鋒研究員團隊,與蘭州大學張加馳副教授團隊以及美國康涅狄格大學Luyi Sun教授團隊合作,報道了兩種高性能摩擦發光材料——YAG: Ce3+和BSSON: Eu2+

  這兩種摩擦發光材料可是各具神通,YAG:Ce3+在摩擦等力學刺激后能夠發出超亮黃光。但是它卻個性十足,你只有用力刺激,它才發光,不刺激它就玩脾氣不發光了。相比而言,BSSON: Eu2+的性格就溫和得多了,在力學刺激下它不但會發出綠色的光,而且它的發光還能持續幾十秒。從圖1我們就可以看到它們各自的本領。

   

  圖1 黃色瞬態摩擦發光材料YAG: Ce3+以及綠色持續摩擦發光材料BSSON: Eu2+ 

  研究人員巧妙地利用這兩種摩擦發光材料不同的脾氣,進一步設計開發出兩種有趣的柔性器件:

  第一種器件叫力學誘導三模式防偽器件。大家都知道,防偽在日常生活中非常有用,商品包裝上有了防偽標志,我們就可放心購買。科研人員研發的這種器件防偽技術新穎,可以通過手指擠壓等非常便捷的方式將所包含的防偽信息以動態效果進行呈現(如圖2),極大地提升了目前的防偽技術水平,使造假者無計可施;

   

  圖2 力學誘導三模式動態防偽器件 

  另一種器件是全方面的移動觸覺傳感器。隨著智能化的到來,人工智能技術已成為科技發展的大勢所趨,其中智能傳感至關重要。科研人員通過同時利用YAG:Ce3+和BSSON:Eu2+這兩種摩擦發光材料各自的秉性,構筑了一種非常神奇的觸覺傳感器(如圖3)。

  當有物體觸摸它時,它就會害羞而發出超強的黃綠色光;而當有物體在它表面滑動時,它不但會發出超強的黃綠色光,而且還會把對方的印記牢牢刻在自己身上,形成一道綠色的軌跡。如果我們把它做成人工皮膚貼在胳膊上,閑來無聊之時就可在上面寫寫畫畫,真是既方便環保又簡單有趣。此外,它還能準確感知物體與器件表面間的接觸載荷,有望應用于力學監測、人機交互等高端領域。

   

  圖3 可同時感知接觸位置、移動軌跡以及接觸載荷的全方位觸覺傳感器 

  以上結果近期發表在皇家化學會(RSC)Materials Horizons期刊(Materials Horizons, 2019, DOI: 10.1039/c9mh01028a),并被選為內封面(Inside Front Cover)。

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