通過吸收短波長光來發射長波長光的顏色調控技術是開發廣色域表達的一種有吸引力方法，并廣泛應用于固態照明、染料激光器和彩色顯示器。力致發光指的是材料在外界機械力作用下（比如壓縮、拉伸、刮擦、撕扯或者研磨等）產生的發光現象。與其他類型的發光方式不同，力致發光無需依賴外加電壓或紫外光照射等激發源，因此被視為一種非常具有環境友好性的材料。光致發光材料具有豐富的電子能級用于激發和發射。由于激發能級和機械刺激的不匹配性，部分光致發光材料在力學刺激作用下無法具備力致發光。由于近紫外光是光致發光材料的常見激發源，具有近紫外發射的短波長力致發光啟發了一種新穎且通用的顏色調控策略。

中國科學院蘭州化學物理研究所王趙鋒研究員團隊在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表的題為“Near-ultraviolet and deep red dual-band mechanoluminescence for color manipulation and biomechanics detection”的研究論文。該文章報道了一種同時具有近紫外和深紅色發射的高效力致發光復合彈性體Ca9Bi(PO4)7:Ce3+(CBP:Ce)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本文報道了一種高效的力致發光復合彈性體CBP:Ce/PDMS。由于CBP晶體的限制，結構中同時存在具有發光特性的Bi3+和Bi2+離子。Ce3+的摻雜進一步表現出向Bi離子的有效能量轉移，因此CBP:Ce/PDMS在機械刺激下表現出獨特且增強的近紫外和深紅雙波段發射。對熱釋光、陰極發光、摩擦電特性以及基體效應的進一步研究表明，力學激發/激活過程可以用界面摩擦起電誘導的電子轟擊模型解釋。CBP:Ce/PDMS的力致發光進一步用于兩類應用：通過采用近紫外力致發光作為激發源，多種僅具有光致發光的材料也可以表現出力致發光；通過深紅色力致發光在模擬組織中的穿透和傳感能力， CBP:Ce/PDMS還可應用于生物力學原位檢測。

CBP:Ce結構與光致發光性能研究

圖1 CBP:Ce粉體樣品的結構、形貌及光致發光性能

CBP:Ce粉體樣品受298 nm紫外光激發展現出明顯的近紫外和深紅色雙波段寬帶發射，并在Ce3+為4%摻雜濃度下得出最佳光致發光特性。

力致發光及其機理研究

圖2 CBP:Ce/PDMS復合彈性體的結構、力致發光性能及機理

復合彈性體的力致發光性能與光致發光一致，展現出近紫外和深紅色雙波段發射。通過測試CBP與不同基體對磨后的表面電勢和CBP樣品的陰極射線發光性能，得出CBP:Ce/PDMS復合彈性體力致發光機理為界面摩擦電誘導的電子轟擊物理過程。

近紫外波段力致發光誘導的顏色調控研究

圖3 （a）基于NUV激發的力致發光示意圖；（b-j）基于能量傳遞的自激活力致發光材料開發。

由于激發能級和機械刺激的不匹配性，部分光致發光材料在力學刺激作用下無法顯示力致發光。本工作中，當一種光致發光材料復合到CBP:Ce/PDMS彈性體中，在力學刺激下，CBP:Ce/PDMS產生的近紫外光激發光致發光材料，從而顯示出各種顏色。由于近紫外光通常作為光致發光材料的激發光源，所以本策略具有普適性。圖3（b-j）進一步演示了上述策略，顯然，這種基于近紫外力致發光激發的發光調控策略能夠賦予光致發光材料優異的力致發光性能，極大地豐富了力致發光材料體系。

圖4 復合彈性體的應變響應性

近紫外光調控光致發光材料實現力致發光具有明顯的應變響應性。如圖4a和4d所示，隨著應變的增加，復合材料的力致發光強度均單調增加。此外，力致發光的顏色也發生相應變化。由于復合材料的力致發光強度和力致發光顏色都與所施加應變表現出一對一的對應關系，因此基于力致發光顏色變化的應變響應性可用于開發可視化力學傳感設備。

深紅色力致發光誘導的生物力學檢測

圖5 CBP:Ce/PDMS深紅色力致發光的生物力學檢測和傳感分析

本工作選取豬皮和豬肉組織模擬生物皮膚組織，并在拉伸模式下記錄通過上述組織的力致發光信號，證明CBP:Ce/PDMS復合材料發射的深紅色力致發光具有很好的穿透性（圖5）。生物相容性實驗表明CBP:Ce/PDMS復合材料具有理想的生物相容性。深紅色力致發光的組織滲透和力學傳感能力方面的演示表明，CBP:Ce/PDMS在生物體原位生物力學檢測方面具有廣闊的應用前景。

作者簡介

王趙鋒簡介：中國科學院蘭州化學物理研究所研究員，博士生導師，2006年畢業于蘭州大學材料化學專業，獲理學學士學位，2011年畢業于蘭州大學材料物理與化學專業，獲工學博士學位。2011年至今，先后于中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室、美國德克薩斯州立大學化學與生物化學系、美國康涅狄格大學材料科學研究所進行科學研究。主要研究方向為摩擦/力致發光材料及應用，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊發表論文100余篇（被引用5000余次，h因子40），編寫書籍章節兩部，申請/授權國家發明專利10余項，研究成果被國內外知名媒體如中國科學報、中國科普博覽、人民日報、中科院之聲、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等專題報道。現為國內知名期刊《稀土學報（英文版）》、《材料導報》、《發光學報》青年編委，以及中國機械工程學會表面工程分會青年學組特邀專家。2015年獲美國環境保護署P3提名獎，2017年獲甘肅省自然科學二等獎，2018年獲中科院高層次人才計劃擇優支持，2020年獲甘肅省杰出青年基金支持，所帶領的研究團隊獲2021年度甘肅省“青年安全生產示范崗”榮譽稱號，2022年獲中科院區域發展青年學者稱號。

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本研究的力致發光光譜數據采用卓立漢光搭建的組合熒光系統檢測，配置GLORIA-X500A清曜500W氙燈光源作為激發源，配置Omni-λ300i系列“影像譜王”光柵光譜儀對光譜進行分光。

目前，該組合熒光系統已經升級為OmniFluo900 系列穩態瞬態熒光光譜儀，如需了解該產品，歡迎咨詢。 

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