出品：科普中國(guó)

作者：王趙鋒（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

(資料圖片)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

當(dāng)我們搓動(dòng)雙手的時(shí)候，雙手會(huì)感受到溫暖，當(dāng)我們用塑料梳子梳頭的時(shí)候，頭發(fā)不僅會(huì)因靜電飛起來，有時(shí)候還會(huì)噼里啪啦打到手，這些是我們生活中常見摩擦產(chǎn)生的效果。但是，我們有沒有觀察過糖塊在黑暗中被砸碎、膠帶在黑暗中因撕裂而瞬間發(fā)出的藍(lán)色閃光呢？

薄荷糖被壓碎時(shí)的發(fā)光

(圖片來源：參考文獻(xiàn)[1])

這種物體在機(jī)械外力（如摩擦、刮劃、撞擊、壓縮、研磨等）作用下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象被稱為摩擦/力致發(fā)光。事實(shí)上，早在400多年前，這種由外力刺激所引起的發(fā)光現(xiàn)象就已被人類觀察到，并記錄在相關(guān)專著里。但由于人們起初對(duì)摩擦/力致發(fā)光的認(rèn)識(shí)非常有限，以及實(shí)驗(yàn)條件不足，摩擦/力致發(fā)光的研究過程極其緩慢，以至于不能為大家熟知。

這是一個(gè)美國(guó)印第安部落中對(duì)摩擦/力致發(fā)光的簡(jiǎn)單應(yīng)用，半透明的牛皮袋撥浪鼓中裝了水晶碎塊，搖晃撥浪鼓，水晶碎塊因碰撞而發(fā)光，但這種發(fā)光并不持久因此一直并未得到廣泛應(yīng)用。

（圖片來源：wikipedia）

近幾十年，摩擦/力致發(fā)光研究得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是摩擦/力致發(fā)光材料能夠?qū)⑺┘拥牟豢梢姷牧W(xué)信息與肉眼可見的發(fā)光信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來，其在綠色照明、力學(xué)顯示和傳感、智能穿戴、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能皮膚和防偽等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景，為突破無(wú)線、非接觸、分布式力學(xué)顯示和傳感技術(shù)提供了創(chuàng)新、有效的解決方案。

摩擦/力致發(fā)光為社會(huì)進(jìn)步帶來便利的同時(shí)，人們對(duì)它的性能也提出了更高的要求。通常，摩擦/力致發(fā)光是一種瞬態(tài)的發(fā)光行為，也就是說，只有在我們觸碰材料的瞬間才能產(chǎn)生摩擦/力致發(fā)光。但毫無(wú)疑問，這種瞬態(tài)的發(fā)光行為具有極大的局限性，人們無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)的照明和顯示功能，這也正是摩擦/力致發(fā)光長(zhǎng)期發(fā)展緩慢的原因之一。

摩擦/力致發(fā)光只有一瞬間，不持久

（圖片來源：wikipedia）

長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光，也就是在機(jī)械力學(xué)刺激后能夠展現(xiàn)出持續(xù)發(fā)光的一種現(xiàn)象，是解決摩擦/力致發(fā)光瞬態(tài)發(fā)光問題的有效途徑。研究人員通過在材料中引入一種叫做“陷阱”的結(jié)構(gòu)，它就好比是可以儲(chǔ)存能量的罐子，只要提前把這些能量罐充滿，在機(jī)械力的作用下，讓這些預(yù)先儲(chǔ)存的能量緩慢地釋放出來，就可以產(chǎn)生持久的摩擦/力致發(fā)光。但這類長(zhǎng)壽命的發(fā)光材料在每次使用前都要進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)充能處理（5-20分鐘），給實(shí)際的操作增加了很大的難度。那么，有沒有一種不需要預(yù)充能就能夠展現(xiàn)出長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光的材料呢？

最近，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究人員創(chuàng)新性地研制出了一種自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光材料。這種材料在使用前不需要任何預(yù)處理，在機(jī)械力的驅(qū)動(dòng)下，可直接將機(jī)械能儲(chǔ)存在材料內(nèi)部，儲(chǔ)存的能量會(huì)緩慢釋放，從而展示出長(zhǎng)壽命的摩擦/力致發(fā)光效果。

只要“拍”一下材料，它就可以亮十幾秒。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

這種自充能、長(zhǎng)壽命的摩擦/力致發(fā)光材料是一種彈性體性狀，研究人員在制備它的時(shí)候只需要使用不同的模具，就可以讓它變成各種各樣的形狀，具備豐富多彩的圖案。它之所以不再需要預(yù)充能，是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部“儲(chǔ)能罐”的“閥門”得到了改進(jìn)。研究人員在材料上所施加的機(jī)械能可直接向“儲(chǔ)能罐”里充能，隨后這些能量緩慢釋放出來，就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命的摩擦/力致發(fā)光。因此，這種材料不再需要預(yù)充能這個(gè)步驟，隨時(shí)隨地給材料施加一次力，它就可以持續(xù)亮一段時(shí)間。未來，人們可以繼續(xù)改進(jìn)材料的“儲(chǔ)能罐”結(jié)構(gòu)，那樣的話，給材料一點(diǎn)力，它就可以亮幾個(gè)小時(shí)或者更久。屆時(shí)，人類照明和顯示不再需要消耗電能，而是利用自然界中廣泛存在的風(fēng)能、潮汐能等清潔能源，以及人體運(yùn)動(dòng)、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等人類生活生產(chǎn)所伴隨的機(jī)械能就可實(shí)現(xiàn)，既做到節(jié)能減排，又保證了人類的生活幸福指數(shù)。

除了在新一代照明和顯示方面的應(yīng)用之外，研究人員在自充能、長(zhǎng)壽命摩擦/力致發(fā)光的物理過程啟發(fā)下，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械力學(xué)信息的長(zhǎng)期、穩(wěn)定存儲(chǔ)以及隨時(shí)隨地讀取。例如，在生活中，當(dāng)儀器設(shè)備或汽車等交通工具發(fā)生碰撞時(shí)，我們就可從材料中讀出碰撞的強(qiáng)度、位置、時(shí)間等信息，從而為分析儀器故障、設(shè)備定損、事故定責(zé)等提供科學(xué)的判斷依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Monette Z, Kasar A K, Menezes P L. Advances intriboluminescence and mechanoluminescence[J]. Journal of Materials Science:Materials in Electronics, 2019, 30(22): 19675-19690.

[2] Bai Y, Guo X, Tian B, Liang Y, Peng D, Wang Z.Self-Charging Persistent Mechanoluminescence with Mechanics Storage andVisualization Activities[J]. Advanced Science, 2022, 2203249.

標(biāo)簽： 研究人員 參考文獻(xiàn) 這種材料