【中科院之声】摩擦之光看不到?给眼睛开个“外挂”!

  19世纪的法国雕塑家罗丹曾说过:“生活中不缺少美只是缺少发现美的眼睛”。诚然,生活中很多有趣的现象往往总是被我们所忽视,你观察过黑暗中破碎或者砸碎冰糖时的亮光吗?你注意过猛烈撕开透明胶带时的蓝色闪光吗?这些都是在日常生活中随处可见的两个物体在摩擦过程中产生的一种奇特的摩擦发光现象。不过,冰糖和透明胶带的摩擦发光确实不算是很强,想要用仪器清楚地记录下来也不太容易。

  今天,我们来欣赏另外一种更加强烈的摩擦发光,不过这个在日常生活中就不容易观察到了。随着科技的发展,摩擦发光已经成为了一个日趋兴盛的科学研究方向。

  那么什么是摩擦发光?摩擦发光到底有什么作用呢?

  现在将材料在摩擦、刮划、挤压、撞击等外界机械刺激时所产生的发光现象都称为摩擦发光。它能够将无处不在的机械能转化为我们肉眼可见的光学信号,这就相当于给人眼装上了“系统外挂”,只需观察摩擦过程中的发光信号,就可直观获得摩擦过程中的各种力学行为。

  因这种神奇特性,近年来,摩擦发光引起了科研工作者的广泛关注并在众多领域中展示出了巨大的应用价值,如用于应力分布检测、动态压力传感、信息加密和防伪等。然而,摩擦发光对力学信号的监测,目前主要以材料的发光强弱作为判断依据,这种方法容易受周围环境和主观判断的影响,极大地制约了其在实际中的应用。   

  结合以上问题,近日,浙江风采网摩擦物理与传感课题组王赵锋研究员团队与西北师范大学薛中华教授研究团队和美国康涅狄格大学Luyi Sun教授团队合作,设计开发出了一种具有两种脾性发光中心的摩擦发光材料(Sr2P2O7:Eu,Y),如图1。将该材料复合到弹性基体(聚二甲基硅氧烷)后,在不同力学条件刺激下,两种脾性的发光中心将产生不同发光颜色的光学响应。

1 Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS弹性体的微观形貌和摩擦发光性能

  研究人员利用Sr2P2O7:Eu,Y材料中两种不同脾性发光中心对外力响应的差异性,实现了 Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS 柔性材料在应力/应变驱动下摩擦发光颜色的动态演变。如图2,在裸眼直接观测条件下,材料在较小的应力/应变区间时表现出蓝色发光,而在较大的应力/应变区间时则表现为粉色发光,由此实现了用可视化的发光颜色来半定量地判断材料内部的应力/应变信息,这种方法因此被称为可视化力学传感。

2 应力/应变驱动下Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS弹性体摩擦发光颜色演变过程,以及基于摩擦发光颜色的可视化力学传感验证。

  该方法具有很强的实用性和可操作性,为实现结构健康监测、生物力学监测、人工智能皮肤、人机交互、物联网等领域中力学信息的实时感知提供了一种新型、实用的方法和途径。

  以上结果近期发表在Nano Energy期刊上(Nano Energy, 2021, 83, 105860)。该工作得到了国家自然科学基金、甘肃省杰出青年基金、中科院人才计划、浙江风采网以及固体润滑国家重点实验室的支持。

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