給它一點力，它能亮很久

出品：科普中國

作者：王趙鋒（中國科學院蘭州化學物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

當我們搓動雙手的時候，雙手會感受到溫暖，當我們用塑料梳子梳頭的時候，頭發(fā)不僅會因靜電飛起來，有時候還會噼里啪啦打到手，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)出的藍色閃光呢？

薄荷糖被壓碎時的發(fā)光

(圖片來源：參考文獻[1])

這種物體在機械外力（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，并記錄在相關專著里。但由于人們起初對摩擦/力致發(fā)光的認識非常有限，以及實驗條件不足，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。

這是一個美國印第安部落中對摩擦/力致發(fā)光的簡單應用，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的發(fā)展，尤其是摩擦/力致發(fā)光材料能夠將所施加的不可見的力學信息與肉眼可見的發(fā)光信號直接關聯(lián)起來，其在綠色照明、力學顯示和傳感、智能穿戴、結構健康監(jiān)測、智能皮膚和防偽等領域展現(xiàn)出了巨大的應用前景，為突破無線、非接觸、分布式力學顯示和傳感技術提供了創(chuàng)新、有效的解決方案。

摩擦/力致發(fā)光為社會進步帶來便利的同時，人們對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。但毫無疑問，這種瞬態(tài)的發(fā)光行為具有極大的局限性，人們無法實現(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）

長壽命摩擦/力致發(fā)光，也就是在機械力學刺激后能夠展現(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”的結構，它就好比是可以儲存能量的罐子，只要提前把這些能量罐充滿，在機械力的作用下，讓這些預先儲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。但這類長壽命的發(fā)光材料在每次使用前都要進行一定時間的預充能處理（5-20分鐘），給實際的操作增加了很大的難度。那么，有沒有一種不需要預充能就能夠展現(xiàn)出長壽命摩擦/力致發(fā)光的材料呢？

最近，中國科學院蘭州化學物理研究所研究人員創(chuàng)新性地研制出了一種自充能、長壽命摩擦/力致發(fā)光材料。這種材料在使用前不需要任何預處理，在機械力的驅動下，可直接將機械能儲存在材料內(nèi)部，儲存的能量會緩慢釋放，從而展示出長壽命的摩擦/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[2]）

這種自充能、長壽命的摩擦/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充能，是因為材料內(nèi)部“儲能罐”的“閥門”得到了改進。研究人員在材料上所施加的機械能可直接向“儲能罐”里充能，隨后這些能量緩慢釋放出來，就會產(chǎn)生長壽命的摩擦/力致發(fā)光。因此，這種材料不再需要預充能這個步驟，隨時隨地給材料施加一次力，它就可以持續(xù)亮一段時間。未來，人們可以繼續(xù)改進材料的“儲能罐”結構，那樣的話，給材料一點力，它就可以亮幾個小時或者更久。屆時，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能、潮汐能等清潔能源，以及人體運動、機器運轉等人類生活生產(chǎn)所伴隨的機械能就可實現(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用之外，研究人員在自充能、長壽命摩擦/力致發(fā)光的物理過程啟發(fā)下，還進一步實現(xiàn)了機械力學信息的長期、穩(wěn)定存儲以及隨時隨地讀取。例如，在生活中，當儀器設備或汽車等交通工具發(fā)生碰撞時，我們就可從材料中讀出碰撞的強度、位置、時間等信息，從而為分析儀器故障、設備定損、事故定責等提供科學的判斷依據(jù)。

參考文獻：

[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.