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基于近紫外發(fā)射的力致發(fā)光顏色調(diào)控技術(shù)
通過吸收短波長光來發(fā)射長波長光的顏色調(diào)控技術(shù)是開發(fā)廣色域表達的一種有吸引力方法，并廣泛應(yīng)用于固態(tài)照明、染料激光器和彩色顯示器。力致發(fā)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(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。與其他類型的發(fā)光方式不同，力致發(fā)光無需依賴外加電壓或紫外光照射等激發(fā)源，因此被視為一種非常具有環(huán)境友好性的材料。光致發(fā)光材料具有豐富的電子能級用于激發(fā)和發(fā)射。由于激發(fā)能級和機械刺激的不匹配性，部分光致發(fā)光材料在力學(xué)刺激作用下無法具備力致發(fā)光。由于近紫外光是光致發(fā)光材料的常見激發(fā)源，具有近紫外發(fā)射的短波長力致發(fā)光啟發(fā)了一種新穎且通用的顏色調(diào)控策略。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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(fā)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(fā)射的高效力致發(fā)光復(fù)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(fā)光復(fù)合彈性體CBP:Ce/PDMS。由于CBP晶體的限制，結(jié)構(gòu)中同時存在具有發(fā)光特性的Bi3+和Bi2+離子。Ce3+的摻雜進一步表現(xiàn)出向Bi離子的有效能量轉(zhuǎn)移，因此CBP:Ce/PDMS在機械刺激下表現(xiàn)出獨特且增強的近紫外和深紅雙波段發(fā)射。對熱釋光、陰極發(fā)光、摩擦電特性以及基體效應(yīng)的進一步研究表明，力學(xué)激發(fā)/激活過程可以用界面摩擦起電誘導(dǎo)的電子轟擊模型解釋。CBP:Ce/PDMS的力致發(fā)光進一步用于兩類應(yīng)用：通過采用近紫外力致發(fā)光作為激發(fā)源，多種僅具有光致發(fā)光的材料也可以表現(xiàn)出力致發(fā)光；通過深紅色力致發(fā)光在模擬組織中的穿透和傳感能力， CBP:Ce/PDMS還可應(yīng)用于生物力學(xué)原位檢測。
CBP:Ce結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光性能研究
圖1 CBP:Ce粉體樣品的結(jié)構(gòu)、形貌及光致發(fā)光性能
CBP:Ce粉體樣品受298 nm紫外光激發(fā)展現(xiàn)出明顯的近紫外和深紅色雙波段寬帶發(fā)射，并在Ce3+為4%摻雜濃度下得出最佳光致發(fā)光特性。
力致發(fā)光及其機理研究
圖2 CBP:Ce/PDMS復(fù)合彈性體的結(jié)構(gòu)、力致發(fā)光性能及機理
復(fù)合彈性體的力致發(fā)光性能與光致發(fā)光一致，展現(xiàn)出近紫外和深紅色雙波段發(fā)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(fā)光性能，得出CBP:Ce/PDMS復(fù)合彈性體力致發(fā)光機理為界面摩擦電誘導(dǎo)的電子轟擊物理過程。
近紫外波段力致發(fā)光誘導(dǎo)的顏色調(diào)控研究
圖3 （a）基于NUV激發(fā)的力致發(fā)光示意圖；（b-j）基于能量傳遞的自激活力致發(fā)光材料開發(fā)。
由于激發(fā)能級和機械刺激的不匹配性，部分光致發(fā)光材料在力學(xué)刺激作用下無法顯示力致發(fā)光。本工作中，當(dāng)一種光致發(fā)光材料復(fù)合到CBP:Ce/PDMS彈性體中，在力學(xué)刺激下，CBP:Ce/PDMS產(chǎn)生的近紫外光激發(fā)光致發(fā)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(fā)光材料的激發(fā)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(fā)光激發(fā)的發(fā)光調(diào)控策略能夠賦予光致發(fā)光材料優(yōu)異的力致發(fā)光性能，極大地豐富了力致發(fā)光材料體系。
圖4 復(fù)合彈性體的應(yīng)變響應(yīng)性
近紫外光調(diào)控光致發(fā)光材料實現(xiàn)力致發(fā)光具有明顯的應(yīng)變響應(yīng)性。如圖4a和4d所示，隨著應(yīng)變的增加，復(fù)合材料的力致發(fā)光強度均單調(diào)增加。此外，力致發(fā)光的顏色也發(fā)生相應(yīng)變化。由于復(fù)合材料的力致發(fā)光強度和力致發(fā)光顏色都與所施加應(yīng)變表現(xiàn)出一對一的對應(yīng)關(guān)系，因此基于力致發(fā)光顏色變化的應(yīng)變響應(yīng)性可用于開發(fā)可視化力學(xué)傳感設(shè)備。
深紅色力致發(fā)光誘導(dǎo)的生物力學(xué)檢測
圖5 CBP:Ce/PDMS深紅色力致發(fā)光的生物力學(xué)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(fā)光信號，證明CBP:Ce/PDMS復(fù)合材料發(fā)射的深紅色力致發(fā)光具有很好的穿透性（圖5）。生物相容性實驗表明CBP:Ce/PDMS復(fù)合材料具有理想的生物相容性。深紅色力致發(fā)光的組織滲透和力學(xué)傳感能力方面的演示表明，CBP:Ce/PDMS在生物體原位生物力學(xué)檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者簡介
王趙鋒簡介：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，2006年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2011年畢業(yè)于蘭州大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。2011年至今，先后于中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系、美國康涅狄格大學(xué)材料科學(xué)研究所進行科學(xué)研究。主要研究方向為摩擦/力致發(fā)光材料及應(yīng)用，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊發(fā)表論文100余篇（被引用5000余次，h因子40），編寫書籍章節(jié)兩部，申請/授權(quán)國家發(fā)明專利10余項，研究成果被國內(nèi)外知名媒體如中國科學(xué)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(xiàn)為國內(nèi)知名期刊《稀土學(xué)報（英文版）》、《材料導(dǎo)報》、《發(fā)光學(xué)報》青年編委，以及中國機械工程學(xué)會表面工程分會青年學(xué)組特邀專家。2015年獲美國環(huán)境保護署P3提名獎，2017年獲甘肅省自然科學(xué)二等獎，2018年獲中科院高層次人才計劃擇優(yōu)支持，2020年獲甘肅省杰出青年基金支持，所帶領(lǐng)的研究團隊獲2021年度甘肅省“青年安全生產(chǎn)示范崗”榮譽稱號，2022年獲中科院區(qū)域發(fā)展青年學(xué)者稱號。
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本研究的力致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)采用卓立漢光搭建的組合熒光系統(tǒng)檢測，配置GLORIA-X500A清曜500W氙燈光源作為激發(fā)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(tǒng)已經(jīng)升級為OmniFluo900 系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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