【中科院之聲】摩擦之光看不到？給眼睛開個(gè)“外掛”！
19世紀(jì)的法國雕塑家羅丹曾說過：“生活中不缺少美只是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛”。誠然，生活中很多有趣的現(xiàn)象往往總是被我們所忽視，你觀察過黑暗中破碎或者砸碎冰糖時(shí)的亮光嗎？你注意過猛烈撕開透明膠帶時(shí)的藍(lán)色閃光嗎？這些都是在日常生活中隨處可見的兩個(gè)物體在摩擦過程中產(chǎn)生的一種奇特的摩擦發(fā)光現(xiàn)象。不過，冰糖和透明膠帶的摩擦發(fā)光確實(shí)不算是很強(qiáng)，想要用儀器清楚地記錄下來也不太容易。
今天，我們來欣賞另外一種更加強(qiáng)烈的摩擦發(fā)光，不過這個(gè)在日常生活中就不容易觀察到了。隨著科技的發(fā)展，摩擦發(fā)光已經(jīng)成為了一個(gè)日趨興盛的科學(xué)研究方向。
那么什么是摩擦發(fā)光？摩擦發(fā)光到底有什么作用呢？
現(xiàn)在將材料在摩擦、刮劃、擠壓、撞擊等外界機(jī)械刺激時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象都稱為摩擦發(fā)光。它能夠?qū)o處不在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為我們?nèi)庋劭梢姷墓鈱W(xué)信號，這就相當(dāng)于給人眼裝上了“系統(tǒng)外掛”，只需觀察摩擦過程中的發(fā)光信號，就可直觀獲得摩擦過程中的各種力學(xué)行為。
因這種神奇特性，近年來，摩擦發(fā)光引起了科研工作者的廣泛關(guān)注并在眾多領(lǐng)域中展示出了巨大的應(yīng)用價(jià)值，如用于應(yīng)力分布檢測、動態(tài)壓力傳感、信息加密和防偽等。然而，摩擦發(fā)光對力學(xué)信號的監(jiān)測，目前主要以材料的發(fā)光強(qiáng)弱作為判斷依據(jù)，這種方法容易受周圍環(huán)境和主觀判斷的影響，極大地制約了其在實(shí)際中的應(yīng)用。
結(jié)合以上問題，近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所摩擦物理與傳感課題組王趙鋒研究員團(tuán)隊(duì)與西北師范大學(xué)薛中華教授研究團(tuán)隊(duì)和美國康涅狄格大學(xué)Luyi Sun教授團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種具有兩種脾性發(fā)光中心的摩擦發(fā)光材料（Sr2P2O7:Eu,Y），如圖1。將該材料復(fù)合到彈性基體（聚二甲基硅氧烷）后，在不同力學(xué)條件刺激下，兩種脾性的發(fā)光中心將產(chǎn)生不同發(fā)光顏色的光學(xué)響應(yīng)。
圖1 Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS彈性體的微觀形貌和摩擦發(fā)光性能
研究人員利用Sr2P2O7:Eu,Y材料中兩種不同脾性發(fā)光中心對外力響應(yīng)的差異性，實(shí)現(xiàn)了 Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS 柔性材料在應(yīng)力/應(yīng)變驅(qū)動下摩擦發(fā)光顏色的動態(tài)演變。如圖2，在裸眼直接觀測條件下，材料在較小的應(yīng)力/應(yīng)變區(qū)間時(shí)表現(xiàn)出藍(lán)色發(fā)光，而在較大的應(yīng)力/應(yīng)變區(qū)間時(shí)則表現(xiàn)為粉色發(fā)光，由此實(shí)現(xiàn)了用可視化的發(fā)光顏色來半定量地判斷材料內(nèi)部的應(yīng)力/應(yīng)變信息，這種方法因此被稱為可視化力學(xué)傳感。
圖2 應(yīng)力/應(yīng)變驅(qū)動下Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS彈性體摩擦發(fā)光顏色演變過程，以及基于摩擦發(fā)光顏色的可視化力學(xué)傳感驗(yàn)證。
該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物力學(xué)監(jiān)測、人工智能皮膚、人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中力學(xué)信息的實(shí)時(shí)感知提供了一種新型、實(shí)用的方法和途徑。
以上結(jié)果近期發(fā)表在Nano Energy期刊上（Nano Energy, 2021, 83, 105860）。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省杰出青年基金、中科院人才計(jì)劃、蘭州化物所以及固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
