當我們搓動雙手的時候，雙手會感受到溫暖，當我們用塑料梳子梳頭的時候，頭髮不僅會因靜電飛起來，有時候還會噼里啪啦打到手，這些是我們生活中常見摩擦產生的效果。但是，我們有沒有觀察過糖塊在黑暗中被砸碎、膠帶在黑暗中因撕裂而瞬間發出的藍色閃光呢？
薄荷糖被壓碎時的發光(圖片來源：參考文獻[1])
這種物體在機械外力（如摩擦、刮划、撞擊、壓縮、研磨等）作用下產生的發光現象被稱為摩擦/力致發光。事實上，早在400多年前，這種由外力刺激所引起的發光現象就已被人類觀察到，並記錄在相關專著里。但由於人們起初對摩擦/力致發光的認識非常有限，以及實驗條件不足，摩擦/力致發光的研究過程極其緩慢，以至於不能為大家熟知。
這是一個美國印第安部落中對摩擦/力致發光的簡單應用，半透明的牛皮袋撥浪鼓中裝了水晶碎塊，搖晃撥浪鼓，水晶碎塊因碰撞而發光，但這種發光並不持久因此一直並未得到廣泛應用。（圖片來源：wikipedia）
近幾十年，摩擦/力致發光研究得到了突飛猛進的發展，尤其是摩擦/力致發光材料能夠將所施加的不可見的力學信息與肉眼可見的發光信號直接關聯起來，其在綠色照明、力學顯示和傳感、智能穿戴、結構健康監測、智能皮膚和防偽等領域展現出了巨大的應用前景，為突破無線、非接觸、分佈式力學顯示和傳感技術提供了創新、有效的解決方案。
摩擦/力致發光為社會進步帶來便利的同時，人們對它的性能也提出了更高的要求。通常，摩擦/力致發光是一種瞬態的發光行為，也就是說，只有在我們觸碰材料的瞬間才能產生摩擦/力致發光。但毫無疑問，這種瞬態的發光行為具有極大的局限性，人們無法實現持續的照明和顯示功能，這也正是摩擦/力致發光長期發展緩慢的原因之一。
摩擦/力致發光只有一瞬間，不持久（圖片來源：wikipedia）
長壽命摩擦/力致發光，也就是在機械力學刺激后能夠展現出持續發光的一種現象，是解決摩擦/力致發光瞬態發光問題的有效途徑。研究人員通過在材料中引入一種叫做“陷阱”的結構，它就好比是可以儲存能量的罐子，只要提前把這些能量罐充滿，在機械力的作用下，讓這些預先儲存的能量緩慢地釋放出來，就可以產生持久的摩擦/力致發光。但這類長壽命的發光材料在每次使用前都要進行一定時間的預充能處理（5-20分鐘），給實際的操作增加了很大的難度。那麼，有沒有一種不需要預充能就能夠展現出長壽命摩擦/力致發光的材料呢？
最近，中國科學院蘭州化學物理研究所研究人員創新性地研製出了一種自充能、長壽命摩擦/力致發光材料。這種材料在使用前不需要任何預處理，在機械力的驅動下，可直接將機械能儲存在材料內部，儲存的能量會緩慢釋放，從而展示出長壽命的摩擦/力致發光效果。
只要“拍”一下材料，它就可以亮十幾秒。（圖片來源：參考文獻[2]）
這種自充能、長壽命的摩擦/力致發光材料是一種彈性體性狀，研究人員在製備它的時候只需要使用不同的模具，就可以讓它變成各種各樣的形狀，具備豐富多彩的圖案。它之所以不再需要預充能，是因為材料內部“儲能罐”的“閥門”得到了改進。研究人員在材料上所施加的機械能可直接向“儲能罐”里充能，隨後這些能量緩慢釋放出來，就會產生長壽命的摩擦/力致發光。因此，這種材料不再需要預充能這個步驟，隨時隨地給材料施加一次力，它就可以持續亮一段時間。未來，人們可以繼續改進材料的“儲能罐”結構，那樣的話，給材料一點力，它就可以亮幾個小時或者更久。屆時，人類照明和顯示不再需要消耗電能，而是利用自然界中廣泛存在的風能、潮汐能等清潔能源，以及人體運動、機器運轉等人類生活生產所伴隨的機械能就可實現，既做到節能減排，又保證了人類的生活幸福指數。
除了在新一代照明和顯示方面的應用之外，研究人員在自充能、長壽命摩擦/力致發光的物理過程啟發下，還進一步實現了機械力學信息的長期、穩定存儲以及隨時隨地讀取。例如，在生活中，當儀器設備或汽車等交通工具發生碰撞時，我們就可從材料中讀出碰撞的強度、位置、時間等信息，從而為分析儀器故障、設備定損、事故定責等提供科學的判斷依據。
出品：科普中國
作者：王趙鋒（中國科學院蘭州化學物理研究所）
監製：中國科普博覽
參考文獻：
[1] Monette Z, Kasar A K, Menezes P L. Advances in triboluminescence and mechanoluminescence[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019, 30(22): 19675-19690.
[2] Bai Y, Guo X, Tian B, Liang Y, Peng D, Wang Z. Self-Charging Persistent Mechanoluminescence with Mechanics Storage and Visualization Activities[J]. Advanced Science, 2022, 2203249.