王赵锋等

随着信息化和智能化时代的到来，力学传感在人类的生产生活中扮演着越来越重要的角色，如电子皮肤的智能触觉感知、机械部件对内应力的智能感知和监测。将力学信息转变为电信号进行处理和监测是目前最常用的力学传感方法，然而，该类力学传感器依赖于特定的电路设计和专业的电学信号监测设备，在诸多场景中仍无法应用。摩擦发光，也叫力致发光，是指材料在受到力学刺激后产生的一种发光现象。由于摩擦发光直接建立了力学和可视化发光信号之间的关联，其在可视化力学传感应用方面展现出了独特的优势。

 

中国科学院兰州化学物理研究所摩擦物理与传感课题组王赵锋研究员团队长期致力于摩擦发光与可视化力学传感研究。最近，该研究团队与西北师范大学薛中华教授团队、美国康涅狄格大学Luyi Sun教授团队合作，利用焦磷酸锶的三维封闭网络结构，设计开发出了一种具有双发光中心的摩擦发光材料（Sr2P2O7:Eu,Y），该材料复合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体后，在力学作用下展现出了明亮、持续、颜色可调的摩擦发光（如图1）。

 

 

图1 Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS的摩擦发光性能。

 

研究人员利用Sr2P2O7:Eu,Y材料中蓝色发光中心Eu2+和红色发光中心Eu3+在力学响应能力方面的差异性，进一步实现了Sr2P2O7:Eu,Y/PDMS柔性材料在应力/应变驱动下摩擦发光颜色的演变，通过建立器件的力学信息与摩擦发光颜色之间的关联，发展出了一种可通过发光颜色直接感知力学信息的可视化力学传感方法（如图2）。

 

该方法无需复杂的监测设备，通过裸眼直接观测或商用摄像头非接触式地监测发光颜色，即可获取材料、部件的力学信息，且摩擦发光颜色稳定，具有很强的实用性和可操作性，为结构健康监测、生物力学监测、人工智能皮肤、人机交互、物联网等领域提供了新型、实用的力学传感方法。

 

 

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

 

相关结果近期以“Stress-induced color manipulation of mechanoluminescent elastomer for visualized mechanics sensing”为题发表在Nano Energy期刊上（Nano Energy, 2021, 83, 105860）。该论文的第一作者为西北师范大学与兰州化物所联合培养硕士研究生田碧蓉，通讯作者为兰州化物所王赵锋研究员和西北师范大学薛中华教授，兰州化物所固体润滑国家重点实验室为该工作的第一研究单位。

 

此前，该团队通过摩擦发光器件设计，发展出了多种富有创新性的力学传感方法，如实现了一种基于摩擦发光信号可同时响应拉伸应变和拉伸状态的柔性应变传感器（Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1803168），以及一种可同时感知表面接触物体实时位置、运动轨迹和接触载荷的全方位接触传感器（Materials Horizons, 2019, 6, 2003-2008）。然而，上述方法中关于力学数值的感知主要依赖于摩擦发光信号强度的变化。

 

以上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、兰州化物所以及固体润滑国家重点实验室的支持。（来源：中国科学院兰州化学物理研究所）

 

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105860