山东大学梁延杰教授AM：无需预辐照的柔性UVC机械发光弹性体，为全天候传感与监测开辟新路径

随着智能制造与智能基础设施的快速发展，对实时、高精度的结构诊断与损伤监测技术提出了迫切需求。早期发现裂纹萌生和碰撞事件至关重要，可防止结构性故障演变为灾难性事故。在此背景下，能将外部机械刺激直接转化为易检测光信号的机械发光材料，特别是柔性无机-有机复合弹性体，因其自供电、非侵入式传感特性而备受关注。然而，目前已报道的机械发光系统大多发射可见光或近红外光，其有效检测通常需要在暗环境下进行，以避免环境光干扰。相比之下，能在全天候条件下工作的太阳盲紫外（特别是UVC波段）机械发光系统极具应用潜力，但此类系统极为稀缺，且通常依赖需要预辐照的荧光粉，这成为该领域发展的主要挑战。

近日，山东大学梁延杰教授团队成功开发出一种无需预辐照、性能稳健的日盲UVC机械发光复合材料。该材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质与新型Sr₃(PO₄)₂:Pr³⁺（SPO:Pr）荧光粉复合而成，能在拉伸、摩擦、冲击等多种机械刺激下，产生中心波长为264纳米的自供电UVC发光，并表现出优异的重复性、循环稳定性及快速自恢复能力。研究表明，其发光机制源于SPO:Pr荧光粉与PDMS基质界面因摩擦而产生的电荷转移。这一突破为开发适用于全天候条件（如结构失效监测、隐蔽光学标记与追踪、碰撞检测）的新型自恢复紫外机械发光器件奠定了坚实基础。相关论文以“Robust Solar-Blind Ultraviolet Mechanoluminescence in Flexible Elastomers Without Pre-Irradiation”为题，发表在

Advanced Materials

研究首先通过理论计算与实验揭示了SPO:Pr荧光粉的电子结构与光致发光特性。密度泛函理论计算表明，SPO基质具有约5.40 eV的间接带隙，适合激活Pr³离子产生UVC发射。Pr³⁺倾向于占据晶体中的特定格位（Sr2位），从而实现更高能量的辐射跃迁。室温下的光致发光光谱清晰地展示了Pr³⁺离子的双格位占据行为，在220纳米或244纳米光激发下，可分别产生中心位于235纳米和256纳米的强宽带UVC发射，这均源于Pr³⁺的4f5d→4f跃迁。

示意图1 | SPO:Pr/PDMS复合弹性体的合成、其无预辐照UVC机械发光特性及应用示意图。

将SPO:Pr荧光粉掺入PDMS基质形成复合弹性体后，材料展现出无需预辐照的强UVC机械发光特性。在拉伸、弯曲、摩擦等作用下，弹性体发出明亮的UVC光，可通过日盲紫外相机直接观测。其机械发光光谱与光致发光光谱高度相似，峰值位于264纳米，这是Pr³⁺占据两个不同格位共同贡献的结果。研究系统探讨了Pr³⁺掺杂浓度、荧光粉负载量以及应变大小对机械发光性能的影响，确定了最佳掺杂浓度和基质配比。此外，材料在连续冲击和摩擦下也表现出强健的UVC发光输出和出色的自恢复能力。

图1 | 电子结构与UVC光致发光。 (a) SPO基质的电子能带结构。(b) SPO基质的总态密度和分波态密度。(c) Pr³⁺在SPO中两个可能取代位点（Pr_Sr1和Pr_Sr2）的形成能及4f、5d态 centroid 能量计算。(d, e) 室温下SPO:Pr荧光粉的归一化光致发光激发和发射光谱。插图为Pr³⁺离子的能级结构示意图。

图2 | 无预辐照UVC机械发光。 (a) SPO:Pr/PDMS复合弹性体示意图。(b) SPO:Pr/PDMS复合弹性体在不同机械刺激（拉伸、弯曲、用玻璃棒摩擦）下的UVC机械发光图像。(c) SPO:Pr/PDMS复合弹性体的机械发光与光致发光发射光谱对比。(d) 不同Pr³⁺掺杂浓度下，SPO:Pr/PDMS复合弹性体在拉伸时的机械发光光谱。(e) 不同SPO:Pr荧光粉与PDMS质量比的复合弹性体的机械发光光谱。(f) 不同质量比的SPO:Pr/PDMS复合弹性体对应的UVC机械发光强度及力学行为变化。(g) SPO:Pr/PDMS复合弹性体在不同拉伸应变下的机械发光发射光谱。插图为机械发光强度与所施加力的线性关系。(h) 用于冲击测试的落球实验装置示意图。插图I和II分别显示了对应的UVC机械发光图像及冲击下机械发光强度的演变趋势（测试参数：重量50 g；高度0.5 m）。(i) SPO:Pr/PDMS复合弹性体在5 N摩擦力下的机械发光发射光谱。插图为对应的UVC机械发光图像。

循环稳定性是评估机械发光材料实用价值的关键。该SPO:Pr/PDMS复合弹性体在连续10,000次拉伸循环中表现出卓越的耐久性。尽管发光强度在前1000次循环中衰减较快，但之后衰减速率显著放缓并进入稳定发射状态。即便在第10,000次循环后，UVC机械发光信号仍比背景噪声高一个数量级以上，确保了可靠检测。更重要的是，材料具备显著的被动自恢复能力。停止拉伸后，在室温暗环境中自然静置，其机械发光强度可随时间部分恢复，24小时后可恢复至初始值的约59%，且光谱形状保持不变，展现了优异的光谱稳定性和自修复特性。

图3 | UVC机械发光的循环稳定性与自恢复。 (a, b) SPO:Pr/PDMS复合弹性体在10,000次连续拉伸循环过程中的UVC机械发光发射光谱及相应的发光强度演变（测试条件：频率5 Hz；应变40%）。(c) 在10,000次拉伸循环期间记录的SPO:Pr/PDMS复合弹性体对应的UVC机械发光图像。(d, e) SPO:Pr/PDMS复合弹性体在室温暗环境中自然放松不同时间（1分钟至24小时）后的UVC机械发光发射光谱及UVC机械发光强度恢复情况（测试条件：频率5 Hz；应变40%）。(f) 自然恢复12小时后，连续五个循环的机械发光发射光谱。(g) SPO:Pr/PDMS弹性体在不同温度下放松10分钟后的自恢复情况。

为了阐明其自供电、自恢复UVC机械发光的微观机制，研究排除了热释光、压电极化等常见机制的可能性。通过对比SPO:Pr荧光粉在不同聚合物基质（PDMS、硅胶、聚氨酯、环氧树脂）中的机械发光响应，并结合摩擦电势测量，发现强烈的UVC机械发光仅出现在SPO:Pr/PDMS和SPO:Pr/硅胶弹性体中，且与荧光粉向基质转移电子的摩擦起电过程直接相关。当在复合材料中添加可降低界面摩擦的脱模剂时，UVC机械发光强度随之系统性减弱直至消失，这为“界面摩擦起电主导发光”的机制提供了有力证据。研究人员据此提出模型：机械刺激引发荧光粉与PDMS界面周期性接触-分离，导致电子从SPO:Pr颗粒转移至PDMS基质，形成摩擦电场；随后，电子在电场驱动下返回荧光粉并与空穴复合，释放的能量激发Pr³⁺离子，最终通过辐射弛豫产生UVC发光。

图4 | 自恢复UVC机械发光机制研究。 (a) 在相同摩擦条件下，嵌入不同聚合物基质（PDMS、硅胶SG、聚氨酯PU、环氧树脂ER）的SPO:Pr荧光粉的UVC机械发光响应对比。插图为对应的UVC机械发光图像。(b) SPO:Pr荧光粉与不同聚合物基质摩擦接触后，基质表面的摩擦电势测量结果。(c) 添加不同含量脱模剂（PAO 10）制备的SPO:Pr/PDMS复合体系的机械发光发射光谱。(d) 基于界面摩擦起电的强、自供电、自恢复UVC机械发光机制模型示意图。

得益于UVC光的日盲特性以及材料自供电、环境稳定性好等优点，该复合弹性体在先进光子学应用中展现出巨大潜力。概念验证演示表明，它可作为自供电指示剂用于工程结构裂纹萌生的早期预警，实现关键基础设施的实时健康监测；利用UVC发射的隐蔽性，可实现机械变形触发的、肉眼不可见但可用日盲相机探测的光学标记与追踪；此外，它还能作为有效的自供电碰撞检测传感器，在发生机械冲击时立即产生UVC发光信号。

图5 | 自供电与日盲光子学应用演示。 (a) 利用自供电UVC机械发光弹性体进行结构失效监测的演示。插图I和II显示了涂覆在氧化铝板上的0.2毫米厚SPO:Pr/PDMS弹性体层；插图III和IV显示了在机械载荷下氧化铝板断裂时的UVC机械发光图像。(b) 利用自供电UVC机械发光弹性体进行隐蔽光学标记与追踪的演示。插图I和II显示了弯曲识别时产生的UVC机械发光图像。(c) 利用自供电UVC机械发光弹性体进行碰撞检测的演示。插图I和II显示了附着在车模上的SPO:Pr/PDMS弹性体；插图III显示了碰撞发生时，冲击力触发的UVC机械发光图像。

除了Pr³⁺体系，研究还通过离子取代策略（掺杂Pb²⁺、Gd³⁺、Ce³⁺）实现了紫外机械发光光谱的调控，成功制备出发射波长分别为250纳米、313纳米和327纳米的复合弹性体，并展示了其优异的循环稳定性，拓宽了紫外机械发光的材料体系与应用范围。

图6 | UV机械发光的光谱可调性。 (a) SPO:Pb/PDMS, (b) SPO:Gd/PDMS, 和 (c) SPO:Ce/PDMS复合弹性体的机械发光和光致发光发射光谱。插图为对应的能级跃迁示意图及UV机械发光图像。(d, e) SPO:Gd/PDMS复合弹性体在10,000次拉伸循环下的UV机械发光发射光谱及发光强度演变。(f) SPO:Gd/PDMS和SPO:Ce/PDMS复合弹性体在10,000次拉伸循环下对应的UV机械发光图像。(g, h) SPO:Ce/PDMS复合弹性体在10,000次拉伸循环下的UV机械发光发射光谱及发光强度演变。

综上所述，这项研究成功开发出一系列新型、无需预辐照的日盲紫外机械发光复合弹性体。该材料体系具有发光强度高、自供电、自恢复、循环稳定性好等突出优点，其发光机制被明确为界面摩擦起电效应。结合UVC光的日盲特性与材料的柔性特点，这项突破为发展适用于全天候、复杂环境下的实时结构健康监测、隐蔽传感与标记、智能碰撞检测等下一代多功能光子学器件与集成系统提供了全新的材料平台和设计思路，具有广阔的应用前景。