隨著智能制造與智能基礎設施的快速發(fā)展，對實時、高精度的結構診斷與損傷監(jiān)測技術提出了迫切需求。早期發(fā)現(xiàn)裂紋萌生和碰撞事件至關重要，可防止結構性故障演變?yōu)闉碾y性事故。在此背景下，能將外部機械刺激直接轉化為易檢測光信號的機械發(fā)光材料，特別是柔性無機-有機復合彈性體，因其自供電、非侵入式傳感特性而備受關注。然而，目前已報道的機械發(fā)光系統(tǒng)大多發(fā)射可見光或近紅外光，其有效檢測通常需要在暗環(huán)境下進行，以避免環(huán)境光干擾。相比之下，能在全天候條件下工作的太陽盲紫外（特別是UVC波段）機械發(fā)光系統(tǒng)極具應用潛力，但此類系統(tǒng)極為稀缺，且通常依賴需要預輻照的熒光粉，這成為該領域發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。

近日，山東大學梁延杰教授團隊成功開發(fā)出一種無需預輻照、性能穩(wěn)健的日盲UVC機械發(fā)光復合材料。該材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質與新型Sr?(PO?)?:Pr3?（SPO:Pr）熒光粉復合而成，能在拉伸、摩擦、沖擊等多種機械刺激下，產(chǎn)生中心波長為264納米的自供電UVC發(fā)光，并表現(xiàn)出優(yōu)異的重復性、循環(huán)穩(wěn)定性及快速自恢復能力。研究表明，其發(fā)光機制源于SPO:Pr熒光粉與PDMS基質界面因摩擦而產(chǎn)生的電荷轉移。這一突破為開發(fā)適用于全天候條件（如結構失效監(jiān)測、隱蔽光學標記與追蹤、碰撞檢測）的新型自恢復紫外機械發(fā)光器件奠定了堅實基礎。相關論文以“Robust Solar-Blind Ultraviolet Mechanoluminescence in Flexible Elastomers Without Pre-Irradiation”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究首先通過理論計算與實驗揭示了SPO:Pr熒光粉的電子結構與光致發(fā)光特性。密度泛函理論計算表明，SPO基質具有約5.40 eV的間接帶隙，適合激活Pr3離子產(chǎn)生UVC發(fā)射。Pr3?傾向于占據(jù)晶體中的特定格位（Sr2位），從而實現(xiàn)更高能量的輻射躍遷。室溫下的光致發(fā)光光譜清晰地展示了Pr3?離子的雙格位占據(jù)行為，在220納米或244納米光激發(fā)下，可分別產(chǎn)生中心位于235納米和256納米的強寬帶UVC發(fā)射，這均源于Pr3?的4f5d→4f躍遷。

示意圖1 | SPO:Pr/PDMS復合彈性體的合成、其無預輻照UVC機械發(fā)光特性及應用示意圖。

將SPO:Pr熒光粉摻入PDMS基質形成復合彈性體后，材料展現(xiàn)出無需預輻照的強UVC機械發(fā)光特性。在拉伸、彎曲、摩擦等作用下，彈性體發(fā)出明亮的UVC光，可通過日盲紫外相機直接觀測。其機械發(fā)光光譜與光致發(fā)光光譜高度相似，峰值位于264納米，這是Pr3?占據(jù)兩個不同格位共同貢獻的結果。研究系統(tǒng)探討了Pr3?摻雜濃度、熒光粉負載量以及應變大小對機械發(fā)光性能的影響，確定了最佳摻雜濃度和基質配比。此外，材料在連續(xù)沖擊和摩擦下也表現(xiàn)出強健的UVC發(fā)光輸出和出色的自恢復能力。

圖1 | 電子結構與UVC光致發(fā)光。 (a) SPO基質的電子能帶結構。(b) SPO基質的總態(tài)密度和分波態(tài)密度。(c) Pr3?在SPO中兩個可能取代位點（Pr_Sr1和Pr_Sr2）的形成能及4f、5d態(tài) centroid 能量計算。(d, e) 室溫下SPO:Pr熒光粉的歸一化光致發(fā)光激發(fā)和發(fā)射光譜。插圖為Pr3?離子的能級結構示意圖。

圖2 | 無預輻照UVC機械發(fā)光。 (a) SPO:Pr/PDMS復合彈性體示意圖。(b) SPO:Pr/PDMS復合彈性體在不同機械刺激（拉伸、彎曲、用玻璃棒摩擦）下的UVC機械發(fā)光圖像。(c) SPO:Pr/PDMS復合彈性體的機械發(fā)光與光致發(fā)光發(fā)射光譜對比。(d) 不同Pr3?摻雜濃度下，SPO:Pr/PDMS復合彈性體在拉伸時的機械發(fā)光光譜。(e) 不同SPO:Pr熒光粉與PDMS質量比的復合彈性體的機械發(fā)光光譜。(f) 不同質量比的SPO:Pr/PDMS復合彈性體對應的UVC機械發(fā)光強度及力學行為變化。(g) SPO:Pr/PDMS復合彈性體在不同拉伸應變下的機械發(fā)光發(fā)射光譜。插圖為機械發(fā)光強度與所施加力的線性關系。(h) 用于沖擊測試的落球實驗裝置示意圖。插圖I和II分別顯示了對應的UVC機械發(fā)光圖像及沖擊下機械發(fā)光強度的演變趨勢（測試參數(shù)：重量50 g；高度0.5 m）。(i) SPO:Pr/PDMS復合彈性體在5 N摩擦力下的機械發(fā)光發(fā)射光譜。插圖為對應的UVC機械發(fā)光圖像。

循環(huán)穩(wěn)定性是評估機械發(fā)光材料實用價值的關鍵。該SPO:Pr/PDMS復合彈性體在連續(xù)10,000次拉伸循環(huán)中表現(xiàn)出卓越的耐久性。盡管發(fā)光強度在前1000次循環(huán)中衰減較快，但之后衰減速率顯著放緩并進入穩(wěn)定發(fā)射狀態(tài)。即便在第10,000次循環(huán)后，UVC機械發(fā)光信號仍比背景噪聲高一個數(shù)量級以上，確保了可靠檢測。更重要的是，材料具備顯著的被動自恢復能力。停止拉伸后，在室溫暗環(huán)境中自然靜置，其機械發(fā)光強度可隨時間部分恢復，24小時后可恢復至初始值的約59%，且光譜形狀保持不變，展現(xiàn)了優(yōu)異的光譜穩(wěn)定性和自修復特性。

圖3 | UVC機械發(fā)光的循環(huán)穩(wěn)定性與自恢復。 (a, b) SPO:Pr/PDMS復合彈性體在10,000次連續(xù)拉伸循環(huán)過程中的UVC機械發(fā)光發(fā)射光譜及相應的發(fā)光強度演變（測試條件：頻率5 Hz；應變40%）。(c) 在10,000次拉伸循環(huán)期間記錄的SPO:Pr/PDMS復合彈性體對應的UVC機械發(fā)光圖像。(d, e) SPO:Pr/PDMS復合彈性體在室溫暗環(huán)境中自然放松不同時間（1分鐘至24小時）后的UVC機械發(fā)光發(fā)射光譜及UVC機械發(fā)光強度恢復情況（測試條件：頻率5 Hz；應變40%）。(f) 自然恢復12小時后，連續(xù)五個循環(huán)的機械發(fā)光發(fā)射光譜。(g) SPO:Pr/PDMS彈性體在不同溫度下放松10分鐘后的自恢復情況。

為了闡明其自供電、自恢復UVC機械發(fā)光的微觀機制，研究排除了熱釋光、壓電極化等常見機制的可能性。通過對比SPO:Pr熒光粉在不同聚合物基質（PDMS、硅膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂）中的機械發(fā)光響應，并結合摩擦電勢測量，發(fā)現(xiàn)強烈的UVC機械發(fā)光僅出現(xiàn)在SPO:Pr/PDMS和SPO:Pr/硅膠彈性體中，且與熒光粉向基質轉移電子的摩擦起電過程直接相關。當在復合材料中添加可降低界面摩擦的脫模劑時，UVC機械發(fā)光強度隨之系統(tǒng)性減弱直至消失，這為“界面摩擦起電主導發(fā)光”的機制提供了有力證據(jù)。研究人員據(jù)此提出模型：機械刺激引發(fā)熒光粉與PDMS界面周期性接觸-分離，導致電子從SPO:Pr顆粒轉移至PDMS基質，形成摩擦電場；隨后，電子在電場驅動下返回熒光粉并與空穴復合，釋放的能量激發(fā)Pr3?離子，最終通過輻射弛豫產(chǎn)生UVC發(fā)光。

圖4 | 自恢復UVC機械發(fā)光機制研究。 (a) 在相同摩擦條件下，嵌入不同聚合物基質（PDMS、硅膠SG、聚氨酯PU、環(huán)氧樹脂ER）的SPO:Pr熒光粉的UVC機械發(fā)光響應對比。插圖為對應的UVC機械發(fā)光圖像。(b) SPO:Pr熒光粉與不同聚合物基質摩擦接觸后，基質表面的摩擦電勢測量結果。(c) 添加不同含量脫模劑（PAO 10）制備的SPO:Pr/PDMS復合體系的機械發(fā)光發(fā)射光譜。(d) 基于界面摩擦起電的強、自供電、自恢復UVC機械發(fā)光機制模型示意圖。

得益于UVC光的日盲特性以及材料自供電、環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)點，該復合彈性體在先進光子學應用中展現(xiàn)出巨大潛力。概念驗證演示表明，它可作為自供電指示劑用于工程結構裂紋萌生的早期預警，實現(xiàn)關鍵基礎設施的實時健康監(jiān)測；利用UVC發(fā)射的隱蔽性，可實現(xiàn)機械變形觸發(fā)的、肉眼不可見但可用日盲相機探測的光學標記與追蹤；此外，它還能作為有效的自供電碰撞檢測傳感器，在發(fā)生機械沖擊時立即產(chǎn)生UVC發(fā)光信號。

圖5 | 自供電與日盲光子學應用演示。 (a) 利用自供電UVC機械發(fā)光彈性體進行結構失效監(jiān)測的演示。插圖I和II顯示了涂覆在氧化鋁板上的0.2毫米厚SPO:Pr/PDMS彈性體層；插圖III和IV顯示了在機械載荷下氧化鋁板斷裂時的UVC機械發(fā)光圖像。(b) 利用自供電UVC機械發(fā)光彈性體進行隱蔽光學標記與追蹤的演示。插圖I和II顯示了彎曲識別時產(chǎn)生的UVC機械發(fā)光圖像。(c) 利用自供電UVC機械發(fā)光彈性體進行碰撞檢測的演示。插圖I和II顯示了附著在車模上的SPO:Pr/PDMS彈性體；插圖III顯示了碰撞發(fā)生時，沖擊力觸發(fā)的UVC機械發(fā)光圖像。

除了Pr3?體系，研究還通過離子取代策略（摻雜Pb2?、Gd3?、Ce3?）實現(xiàn)了紫外機械發(fā)光光譜的調控，成功制備出發(fā)射波長分別為250納米、313納米和327納米的復合彈性體，并展示了其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，拓寬了紫外機械發(fā)光的材料體系與應用范圍。

圖6 | UV機械發(fā)光的光譜可調性。 (a) SPO:Pb/PDMS, (b) SPO:Gd/PDMS, 和 (c) SPO:Ce/PDMS復合彈性體的機械發(fā)光和光致發(fā)光發(fā)射光譜。插圖為對應的能級躍遷示意圖及UV機械發(fā)光圖像。(d, e) SPO:Gd/PDMS復合彈性體在10,000次拉伸循環(huán)下的UV機械發(fā)光發(fā)射光譜及發(fā)光強度演變。(f) SPO:Gd/PDMS和SPO:Ce/PDMS復合彈性體在10,000次拉伸循環(huán)下對應的UV機械發(fā)光圖像。(g, h) SPO:Ce/PDMS復合彈性體在10,000次拉伸循環(huán)下的UV機械發(fā)光發(fā)射光譜及發(fā)光強度演變。

綜上所述，這項研究成功開發(fā)出一系列新型、無需預輻照的日盲紫外機械發(fā)光復合彈性體。該材料體系具有發(fā)光強度高、自供電、自恢復、循環(huán)穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點，其發(fā)光機制被明確為界面摩擦起電效應。結合UVC光的日盲特性與材料的柔性特點，這項突破為發(fā)展適用于全天候、復雜環(huán)境下的實時結構健康監(jiān)測、隱蔽傳感與標記、智能碰撞檢測等下一代多功能光子學器件與集成系統(tǒng)提供了全新的材料平臺和設計思路，具有廣闊的應用前景。