【DeepTech深科技】世界杯足彩团队研发自充能的长寿命摩擦发光材料,告别预充能步骤实现长期发光,有力推动摩擦发光材料迈向实际应用

  不用插电,就能让灯泡发光?是的,并非利用常见的太阳能发电,而是借助一种摩擦发光材料。

  近日,2022世界杯竞彩官网研究员王赵锋团队研制出一种新型摩擦发光材料——自充能的长寿命摩擦发光材料。

图 | 王赵锋

  在无需预充能、以及任何预处理的情况下,只需机械力学刺激直接就能让材料产生持续的摩擦发光效果。

  同时,本次工作也解决了摩擦发光的瞬态发射、以及需要预辐照的问题,让摩擦发光真正具备实用性,跨越了摩擦发光应用道路上的一个重要台阶,将有力推动摩擦发光材料迈向实用型照明、显示和成像等实际应用。

(来源:Advanced Science)

  在应用上,可以用它来制作无源化发光显示器件,所制备的器件不用接电源就能发光,从而产生显示相应的效果。

  在风能丰富的沿海地带,凭借风力就能驱动这种器件呈现显示效果,如果用它替换掉耗电类广告牌,每年将节约大量的能源。

  甚至,当人们在海上或野外遇险时,还可用它来发射求救信号,毕竟没有电它也能发光。

  其次,还可以用它把看不到的力学信息,以可见光的形式展示出来,也就是力学的可视化。比如,使用摩擦发光制作出一种力学可视化器件,即可实现对于风力的感知,并以肉眼可见的发光展现出来,它发出的不同颜色的光,还可对应着不同的海面风力级别。

  也可用它来监测海洋的潮汐运动,为渔民出海捕鱼的安全性提供判断依据。“最后,自充能、长寿命摩擦发光还给我们带来了一种新应用,那就是机械力学的存储和读取,这也算是一种惊喜吧。”王赵锋说。

  可以说,摩擦发光不仅能把看不见的力学信息,转换成肉眼可见的光信号,还能把这些力学信息储存起来以供人们随时读取。

  要知道,工业生产中机械设备的故障几乎都是力学问题引起的,而这样一种涉及到摩擦学、力学存储和读取的技术,可帮助我们更好地掌握设备运转时的力学信息,从而有效避免相关安全事故。

(来源:Advanced Science)

  此摩擦非彼摩擦

  摩擦,随处可见。过程中也伴随着很多有趣的物理现象。例如,我们搓动双手时会明显感觉到手掌发热,冬天脱毛衣时会听到噼里啪啦的火花声,这两种现象分别叫做摩擦生热和摩擦起电,相信大家都不陌生。

  而王赵锋的研究领域则是另外一种摩擦物理现象——摩擦发光。顾名思义,摩擦发光是指材料或物体,在摩擦过程中产生的发光现象。

  更广义地来讲,任何由机械力学引起的物体直接发光的现象,都被称为摩擦发光。学界则将其称之为机械发光或力致发光。

  需要注意的是,这里的发光和脱毛衣时的电火花并不一样。摩擦发光所产生的光,其发射效果与手机、电视等屏幕的发光是一样的,因此很适合用于照明、显示和成像应用。

(来源:Advanced Science)

  你可能会认为,施加机械力就能发光,并能达到显示和成像的效果,那么这种材料用到生活上,不是很节能、很环保吗?

  毕竟,我们可以利用风能和潮汐能让物体发光,也可以利用机器设备运转时附带的机械能使它发光,甚至人们在走路时的机械能都能驱动它发光,从而在任何没有电源的情况下,依然能产生图案发光显示的效果,以起到装饰、信号传递或警示目的。

  毫无疑问,这些想法都是合理可行的,也正是近年来摩擦发光得到越来越多学者青睐的原因。

  但是,在用于照明、显示和成像时,传统的摩擦发光存在一个很重要的缺陷:即它是机械力学作用下的一个瞬态发光行为。而人类需要的这些应用,必须能够持久地发光。

  因此,开发长寿命摩擦发光材料是当前的一个重要需求。之前,其他课题组包括王赵锋团队,都发展出了一些长寿命摩擦发光材料。但是,这些材料在使用之前必须经历一个预先充能的过程,例如用紫外灯预先辐照 10 分钟。

  只有预先在材料内部储存足够的能量,才能在力学刺激下持续地释放能量,产生持续的发光效果。

  王赵锋说:“可别小看这么一个预充能的步骤,它严重影响了这类长寿命摩擦发光材料的实用性,因为我们不可能随时随地给它配备预充能的光源或电源,也不可能每发一次光、就操作预充能一次,这样的话所得到的发光和显示,已经没有实际意义和价值了。”

  而本次工作在这方面取得了新突破。通过揭示这种自充能、长寿命摩擦发光的原理,课题组利用它的物理过程,进一步开发出一种新型的机械力学信息存储与读取的技术,在分析仪器故障、设备定损、事故定责等方面,可以为人们提供科学的判断依据。

  近日,相关论文以《具有力学存储和可视化行为的自充能持久性机械发光》(Self-Charging Persistent Mechanoluminescence with Mechanics Storage and Visualization Activities)为题发在 Advanced Science(IF 17.5)上 [1],白永庆担任第一作者,王赵锋担任通讯作者。

图 | 相关论文(来源:Advanced Science)

  王赵锋表示:“期刊编辑找了三位审稿人,从评审意见来看,感觉他们分别是力学、光学和电学方面背景的专家。可能因为此次研究涉及到光学、电学、机械力学、材料等,编辑希望能从多学科角度来评判。值得庆贺的是,三个专家均对我们的工作给出了很高的评价。”

  他继续说道,审稿人 1 应该是力学背景方面的专家,对方认为此次工作可为机械工程、生物工程、人工智能等领域的力学问题带来新方案。审稿人 3 应该是电学背景的专家,其表示该团队报道了一种具有新机理的摩擦发光材料,对于相关领域来说非常重要。

  不要局限在前人思路里

  王赵锋表示,研究初心在于希望把摩擦发光应用到生活中,为应对当前的能源危机提供新型解决方案。

  有了研究目标,他和团队很快找到了当前阻碍摩擦发光应用的最核心问题——发光寿命短、依赖预辐照。

  立项之后,则要设计方案。“在这方面,我们基于前期扎实的研究基础,提出了由机械力学直接向材料中浅陷阱结构充能的方案,来同时解决材料的发光寿命短和依赖预辐照的问题。”他表示。

(来源:Advanced Science)

  设计好方案之后,还得反复做实验。王赵锋说:“在这一点上,我的博士生白永庆非常给力,在双阴离子化合物中成功得到了我们想要的结果。”

  另外,这次研究也让王赵锋总结出一条“金律”:千万不要被一些传统认知所束缚。他说:“记得刚开展此次工作时,领域内普遍认为不需要预辐照的摩擦发光只能在压电体系里获得,像 ZnS:Cu 就是这样的材料。但是,不需要预辐照、同时又具有长寿命的摩擦发光材料还没有。”

  当时,研究小组的思路自然而然地局限在压电体系里面,如果能在 ZnS:Cu 这样类似的压电体系里面进行陷阱设计,也许就能得到自充能、长寿命的摩擦发光材料。

  “怀揣美好的梦想,现实中却迎来了一次又一次的打击,从压电体系里获得想要的材料这条路并没有走通。”王赵锋说。

  随后,他和大家在组会上进行讨论,有的同学开始怀疑前面的设想,认为科研工作并不是想到、就一定能做到。

  但是,王赵锋和白永庆并没有放弃。理由很简单,此前只尝试了压电体系,还有很多体系都没有尝试,所以不能轻易下结论,也不能轻易放弃。

  接着,他在组会上引导大家突破压电体系的局限,比如是否能在非压电体系里面去尝试?虽然没有压电性或压电场,但是它们还有摩擦电场。

  同时,王赵锋也总结出一个规律——ZnS:Cu 这种压电相关的摩擦发光材料只是个例,并不具备普遍性,不应该一直被它左右想法。

  于是,白永庆开始研究非压电体系,并从摩擦电场的设计角度筛选材料,很快就在 Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS 的复合材料体系中,得到了想要的结果,验证了起初的想法。

(来源:Advanced Science)

  “可以说,如果当时我们随大流,局限在前人思路里去开展工作,是不可能研发出自充能、长寿命摩擦发光材料的。这项工作的成功,让所有成员在思想和认识方面都得到了很大提升。”王赵锋说。

  后续,只需对其综合性能进行优化,例如亮度、持续时间、发光颜色等,即可在生活中得到应用。另一方面,课题组还将基于该工作的基础理论研究,设计和发展出性能更加丰富的新材料,将它们以器件的形式应用到人类生活和生产活动里。

  参考资料:

  1.Bai, Y., Guo, X., Tian, B., Liang, Y., Peng, D., & Wang, Z. (2022). Self‐Charging Persistent Mechanoluminescence with Mechanics Storage and Visualization Activities. Advanced Science, 9(28), 2203249.

  原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTIyODUzNA==&mid=2649682118&idx=1&sn=2465f8fdf5a1910e667c5e9c69de8a1a

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