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摩擦/力致發(fā)光材料能將機械力學信號直接轉化成光信號，在結構健康監(jiān)測、生物力學傳感、人工智能、人機交互等領域具有重要的應用價值。然而，現(xiàn)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)境干擾等問題，嚴重限制了其實際應用。

中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室王趙鋒研究員團隊長期從事摩擦/力致發(fā)光機理、性能調(diào)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誘導電子轟擊發(fā)光模型（Nano Energy,2022,96,107075），基于該模型，進一步發(fā)展出多種無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充能的長壽命摩擦/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）。無需預充能，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材料進一步克服了摩擦/力致發(fā)光的重復性和穩(wěn)定性不足的問題。在10Hz連續(xù)拉伸條件下，該材料可持續(xù)展現(xiàn)出近1000次肉眼可見的藍色發(fā)光。此外，Ca₆BaP₄O₁₇:Ce³⁺/PDMS復合材料在298-473K溫度范圍內(nèi)還展現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)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，二者在界面摩擦時的協(xié)同效應使得界面摩擦電場誘導電子轟擊發(fā)光過程更加有效。

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

在自恢復、可重復、熱穩(wěn)定摩擦/力致發(fā)光性能開發(fā)基礎上，該工作進一步開展了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)光在實際應用中面臨的重復性和穩(wěn)定性不足問題，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(diào)控、新材料開發(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)展及實際應用具有指導意義。

相關研究成果以“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聯(lián)合培養(yǎng)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、魏萬媛助理研究員和蘭州大學張加馳教授為論文共同通訊作者。

該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)展青年學者項目等支持。