通過(guò)吸收短波長(zhǎng)光來(lái)發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)光的顏色調(diào)控技術(shù)是開發(fā)廣色域表達(dá)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(jī)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(wú)需依賴外加電壓或紫外光照射等激發(fā)源，因此被視為一種極具環(huán)境友好性的材料。光致發(fā)光材料具有豐富的電子能級(jí)用于激發(fā)和發(fā)射。由于激發(fā)能級(jí)和機(jī)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(wú)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(zhǎng)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(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王趙鋒研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(bào)道了一種同時(shí)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(bào)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(shí)存在具有發(fā)光特性的Bi³⁺和Bi²⁺離子。Ce³⁺的摻雜進(jìn)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(jī)械刺激下表現(xiàn)出獨(dú)特且增強(qiáng)的近紫外和深紅雙波段發(fā)射。對(duì)熱釋光、陰極發(fā)光、摩擦電特性以及基體效應(yīng)的進(jìn)一步研究表明，力學(xué)激發(fā)/激活過(guò)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(jìn)一步用于兩類應(yīng)用：通過(guò)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(guò)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(cè)。

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Z佳光致發(fā)光特性。

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(jí)和機(jī)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(wú)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(jìn)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度和力致發(fā)光顏色都與所施加應(yīng)變表現(xiàn)出一對(duì)一的對(duì)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。

圖5 CBP:Ce/PDMS深紅色力致發(fā)光的生物力學(xué)檢測(cè)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(guò)上述組織的力致發(fā)光信號(hào)，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(shí)驗(yàn)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(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。