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摩擦/力致發(fā)光材料能將機械力學(xué)信號直接轉化成光信號，在結構健康監測、生物力學(xué)傳感、人工智能、人機交互等領(lǐng)域具有重要的應用價(jià)值。然而，現有摩擦/力致發(fā)光材料普遍存在難以自恢復、重復性差以及易受環(huán)境干擾等問(wèn)題，嚴重限制了其實(shí)際應用。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗室王趙鋒研究員團隊長(cháng)期從事摩擦/力致發(fā)光機理、性能調控及器件研究。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(chǎng)誘導電子轟擊發(fā)光模型（Nano Energy,2022,96,107075），基于該模型，進(jìn)一步發(fā)展出多種無(wú)需預充能的自恢復摩擦/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(cháng)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(chǎng)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)光復合材料（Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS，圖1）。無(wú)需預充能，該材料在機械力學(xué)的刺激下可直接展現出明亮的藍色摩擦/力致發(fā)光。

圖1. Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS的復合結構及摩擦/力致發(fā)光性能。

相較于已報道的自恢復摩擦/力致發(fā)光體系，Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS材料進(jìn)一步克服了摩擦/力致發(fā)光的重復性和穩定性不足的問(wèn)題。在10Hz連續拉伸條件下，該材料可持續展現出近1000次肉眼可見(jiàn)的藍色發(fā)光。此外，Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS復合材料在298-473K溫度范圍內還展現出了較好的熱穩定性能（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⁺獨特的晶體結構和電子結構以及PDMS較強的電子吸附能力，二者在界面摩擦時(shí)的協(xié)同效應使得界面摩擦電場(chǎng)誘導電子轟擊發(fā)光過(guò)程更加有效。

圖2. Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS的重復性、熱穩定性和自恢復性能。

在自恢復、可重復、熱穩定摩擦/力致發(fā)光性能開(kāi)發(fā)基礎上，該工作進(jìn)一步開(kāi)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用展示。

圖3. Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS材料在信息存儲和光子皮膚方面的應用展示。

該研究針對當前自恢復摩擦/力致發(fā)光在實(shí)際應用中面臨的重復性和穩定性不足問(wèn)題，提出了創(chuàng )新解決方案，為摩擦/力致發(fā)光的性能設計與調控、新材料開(kāi)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(shí)際應用具有指導意義。

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(wàn)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)院戰略性先導科技專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院區域發(fā)展青年學(xué)者項目等支持。