【科学院之声】黄色+绿色:两种摩擦发光材料的新玩法

  古人通过摩擦发明了钻木取火,用于烤制食物、取暖和照明,推动了人类文明的进步。相信大家都熟知钻木取火,可是你了解过或听说过摩擦发光吗?这里的发光指的可不是火光。

  早在1605年,弗朗西斯?培根就在他的著作 The Advancement of Learning里明确记录了当在黑暗中磨压蔗糖时可以观测到摩擦发光现象。此后,越来越多的材料被人们发现具有摩擦发光现象。当然,人们也发现,除了摩擦,这些材料在受到其它力学行为作用时也会产生发光,如撞击、压缩、拉伸等等。因此,人们也把摩擦发光称为“力致发光”。

  那么,摩擦发光到底有什么用处呢?首先,相比目前日常生活中所应用的光致发光和电致发光,摩擦发光可以利用无处不在的机械能作为激发源,从而避免了人工产生光/电激发源的需求,因此它更加绿色、环保。此外,它能将外界输入的机械能直接转换为光能,有望被用于力学传感、人工智能等领域。但是,由于摩擦发光是一种瞬态行为,从根本上还是制约了它的真正应用。

  最近,中科院兰州化学物理研究所王赵锋研究员团队,与兰州大学张加驰副教授团队以及美国康涅狄格大学Luyi Sun教授团队合作,报道了两种高性能摩擦发光材料——YAG: Ce3+和BSSON: Eu2+

  这两种摩擦发光材料可是各具神通,YAG:Ce3+在摩擦等力学刺激后能够发出超亮黄光。但是它却个性十足,你只有用力刺激,它才发光,不刺激它就玩脾气不发光了。相比而言,BSSON: Eu2+的性格就温和得多了,在力学刺激下它不但会发出绿色的光,而且它的发光还能持续几十秒。从图1我们就可以看到它们各自的本领。

   

  图1 黄色瞬态摩擦发光材料YAG: Ce3+以及绿色持续摩擦发光材料BSSON: Eu2+ 

  研究人员巧妙地利用这两种摩擦发光材料不同的脾气,进一步设计开发出两种有趣的柔性器件:

  第一种器件叫力学诱导三模式防伪器件。大家都知道,防伪在日常生活中非常有用,商品包装上有了防伪标志,我们就可放心购买。科研人员研发的这种器件防伪技术新颖,可以通过手指挤压等非常便捷的方式将所包含的防伪信息以动态效果进行呈现(如图2),极大地提升了目前的防伪技术水平,使造假者无计可施;

   

  图2 力学诱导三模式动态防伪器件 

  另一种器件是全方面的移动触觉传感器。随着智能化的到来,人工智能技术已成为科技发展的大势所趋,其中智能传感至关重要。科研人员通过同时利用YAG:Ce3+和BSSON:Eu2+这两种摩擦发光材料各自的秉性,构筑了一种非常神奇的触觉传感器(如图3)。

  当有物体触摸它时,它就会害羞而发出超强的黄绿色光;而当有物体在它表面滑动时,它不但会发出超强的黄绿色光,而且还会把对方的印记牢牢刻在自己身上,形成一道绿色的轨迹。如果我们把它做成人工皮肤贴在胳膊上,闲来无聊之时就可在上面写写画画,真是既方便环保又简单有趣。此外,它还能准确感知物体与器件表面间的接触载荷,有望应用于力学监测、人机交互等高端领域。

   

  图3 可同时感知接触位置、移动轨迹以及接触载荷的全方位触觉传感器 

  以上结果近期发表在皇家化学会(RSC)Materials Horizons期刊(Materials Horizons, 2019, DOI: 10.1039/c9mh01028a),并被选为内封面(Inside Front Cover)。

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