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基于近紫外发射的力致发光颜色调控技术
通过吸收短波长光来发射长波长光的颜色调控技术是开发广色域表达的一种有吸引力方法，并广泛应用于固态照明、染料激光器和彩色显示器。力致发光指的是材料在外界机械力作用下（比如压缩、拉伸、刮擦、撕扯或者研磨等）产生的发光现象。与其他类型的发光方式不同，力致发光无需依赖外加电压或紫外光照射等激发源，因此被视为一种非常具有环境友好性的材料。光致发光材料具有丰富的电子能级用于激发和发射。由于激发能级和机械刺激的不匹配性，部分光致发光材料在力学刺激作用下无法具备力致发光。由于近紫外光是光致发光材料的常见激发源，具有近紫外发射的短波长力致发光启发了一种新颖且通用的颜色调控策略。
中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋研究员团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表的题为“Near-ultraviolet and deep red dual-band mechanoluminescence for color manipulation and biomechanics detection”的研究论文。该文章报道了一种同时具有近紫外和深红色发射的高效力致发光复合弹性体Ca9Bi(PO4)7:Ce3+(CBP:Ce)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本文报道了一种高效的力致发光复合弹性体CBP:Ce/PDMS。由于CBP晶体的限制，结构中同时存在具有发光特性的Bi3+和Bi2+离子。Ce3+的掺杂进一步表现出向Bi离子的有效能量转移，因此CBP:Ce/PDMS在机械刺激下表现出独特且增强的近紫外和深红双波段发射。对热释光、阴极发光、摩擦电特性以及基体效应的进一步研究表明，力学激发/激活过程可以用界面摩擦起电诱导的电子轰击模型解释。CBP:Ce/PDMS的力致发光进一步用于两类应用：通过采用近紫外力致发光作为激发源，多种仅具有光致发光的材料也可以表现出力致发光；通过深红色力致发光在模拟组织中的穿透和传感能力， CBP:Ce/PDMS还可应用于生物力学原位检测。
CBP:Ce结构与光致发光性能研究
图1 CBP:Ce粉体样品的结构、形貌及光致发光性能
CBP:Ce粉体样品受298 nm紫外光激发展现出明显的近紫外和深红色双波段宽带发射，并在Ce3+为4%掺杂浓度下得出最佳光致发光特性。
力致发光及其机理研究
图2 CBP:Ce/PDMS复合弹性体的结构、力致发光性能及机理
复合弹性体的力致发光性能与光致发光一致，展现出近紫外和深红色双波段发射。通过测试CBP与不同基体对磨后的表面电势和CBP样品的阴极射线发光性能，得出CBP:Ce/PDMS复合弹性体力致发光机理为界面摩擦电诱导的电子轰击物理过程。
近紫外波段力致发光诱导的颜色调控研究
图3 （a）基于NUV激发的力致发光示意图；（b-j）基于能量传递的自激活力致发光材料开发。
由于激发能级和机械刺激的不匹配性，部分光致发光材料在力学刺激作用下无法显示力致发光。本工作中，当一种光致发光材料复合到CBP:Ce/PDMS弹性体中，在力学刺激下，CBP:Ce/PDMS产生的近紫外光激发光致发光材料，从而显示出各种颜色。由于近紫外光通常作为光致发光材料的激发光源，所以本策略具有普适性。图3（b-j）进一步演示了上述策略，显然，这种基于近紫外力致发光激发的发光调控策略能够赋予光致发光材料优异的力致发光性能，极大地丰富了力致发光材料体系。
图4 复合弹性体的应变响应性
近紫外光调控光致发光材料实现力致发光具有明显的应变响应性。如图4a和4d所示，随着应变的增加，复合材料的力致发光强度均单调增加。此外，力致发光的颜色也发生相应变化。由于复合材料的力致发光强度和力致发光颜色都与所施加应变表现出一对一的对应关系，因此基于力致发光颜色变化的应变响应性可用于开发可视化力学传感设备。
深红色力致发光诱导的生物力学检测
图5 CBP:Ce/PDMS深红色力致发光的生物力学检测和传感分析
本工作选取猪皮和猪肉组织模拟生物皮肤组织，并在拉伸模式下记录通过上述组织的力致发光信号，证明CBP:Ce/PDMS复合材料发射的深红色力致发光具有很好的穿透性（图5）。生物相容性实验表明CBP:Ce/PDMS复合材料具有理想的生物相容性。深红色力致发光的组织渗透和力学传感能力方面的演示表明，CBP:Ce/PDMS在生物体原位生物力学检测方面具有广阔的应用前景。
作者简介
王赵锋简介：中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师，2006年毕业于兰州大学材料化学专业，获理学学士学位，2011年毕业于兰州大学材料物理与化学专业，获工学博士学位。2011年至今，先后于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室、美国德克萨斯州立大学化学与生物化学系、美国康涅狄格大学材料科学研究所进行科学研究。主要研究方向为摩擦/力致发光材料及应用，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊发表论文100余篇（被引用5000余次，h因子40），编写书籍章节两部，申请/授权国家发明专利10余项，研究成果被国内外知名媒体如中国科学报、中国科普博览、人民日报、中科院之声、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等专题报道。现为国内知名期刊《稀土学报（英文版）》、《材料导报》、《发光学报》青年编委，以及中国机械工程学会表面工程分会青年学组特邀专家。2015年获美国环境保护署P3提名奖，2017年获甘肃省自然科学二等奖，2018年获中科院高层次人才计划择优支持，2020年获甘肃省杰出青年基金支持，所带领的研究团队获2021年度甘肃省“青年安全生产示范岗”荣誉称号，2022年获中科院区域发展青年学者称号。
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本研究的力致发光光谱数据采用卓立汉光搭建的组合荧光系统检测，配置GLORIA-X500A清曜500W氙灯光源作为激发源，配置Omni-λ300i系列“影像谱王”光栅光谱仪对光谱进行分光。
目前，该组合荧光系统已经升级为OmniFluo900 系列稳态瞬态荧光光谱仪，如需了解该产品，欢迎咨询。
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