藏在“按压”里的发光魔法：什么是应力发光？

发布时间：2025-12-11 来源: 内蒙古自治区科学技术厅 作者：佚名

　　 你是否见过这样的神奇材料

　　用手按压、拉伸

　　甚至轻轻摩擦一下

　　就能发出柔和的光芒

　　无需电池、不用电线

　　纯粹靠机械力就能“点亮”自己

　　这就是应力发光材料的独特魅力

　　（machnoluminecence 简称：ML）

　　应力发光就是

　　材料在受到外部机械刺激时

　　（比如按压、拉伸、摩擦、撞击、断裂）

　　自发产生发光的现象

　　这种“力致发光”的特性

　　就像给材料装上了“无形的开关”

　　只要施加外力

　　就能启动发光模式

　　其实

　　应力发光的应用潜力

　　早已渗透到我们生活的方方面面

　　在工业领域：

　　它可以制成“智能传感器”

　　贴在桥梁、管道等大型结构上

　　哪里出现应力异常

　　（比如裂缝前兆）

　　哪里就会实时呈现发光报警

　　实现结构健康的实时监测

　　在生物医学领域：

　　柔性的应力发光材料

　　能做成“电子皮肤”

　　贴合人体后

　　可通过发光强度

　　感知关节活动、肌肉收缩的力度

　　为康复治疗提供数据支持

　　在日常消费领域：

　　它更是防伪技术的“利器”

　　普通的防伪标识容易被复制

　　而需要“摩擦发光+特定光源激发”

　　是一种静态模式的防伪

　　加入应力发光材料的多模式防伪

　　能极实现动态防伪大提升商品的防伪等级

　　科学家们已经研发出SrAl₂O₄:Eu²⁺

　　Dy³⁺、ZnS:Mn²⁺等高亮度可见光应力发光材料

　　它们与有机弹性体结合后

　　在应力传感、柔性电子等领域

　　取得了显著进展

　　但随着应用场景的拓展

　　一种更具潜力的

　　“镓酸盐体系”应力发光材料

　　却面临着一个关键难题：

　　发光性能不够强

　　机械力与发光强度的对应关系不够稳定

　　这大大限制了它的实际应用

　　因此

　　如何提升镓酸盐材料的应力发光性能

　　成为科研人员的攻关方向

　　内蒙古师范大学朝克夫教授

　　带领研发团队瞄准这一痛点

　　采用经典的“固相法”

　　（通过高温加热原料粉末合成）

　　成功研发出一种新型智能应力发光材料

　　Ca₃Ga₄O₉:Bi³⁺,Tb³⁺

　　这种材料的核心创新

　　在于“Bi³⁺和 Tb³⁺共掺”

　　非本征调控策略

　　简单说就是通过精准添加两种离子

　　在外力的加持下

　　让更多“困在”缺陷里的电子参与发光 

　　让材料的发光性能实现“质的飞跃”

　　它的神奇之处主要体现在三个方面：

　　01

　　双模光致发光：

　　一种材料，两种 “发光模式”

　　在不同波长的紫外光激发下，这种材料能发出不同颜色的光：用261nm的紫外光照射，它会发出明亮的绿色光（最强发射峰在541nm），这是Tb³⁺离子的“专属发光”；用343nm的紫外光照射，它又会切换成柔和的蓝光（最强发射峰在 494nm），这是Bi³⁺离子的“特色发光”。这种“一材双色”的特性，为多模式防伪提供了核心基础。

　　02

　　应力发光强度翻倍

　　线性关系更稳定

　　与只掺杂Tb³⁺的传统材料相比，这种共掺材料的机械发光强度直接提升了112%，更重要的是，它的发光强度与机械负载（比如按压的力度）呈现出非常稳定的线性关系：按压力度越大，发光越亮，而且亮度变化线性可控。这一特性让它在应力传感领域极具应用潜力，比如能精准测量物体所受的压力大小，并且能够让微弱的里能够被看见，实现了力的可视化。

　　03

　　可重复使用：

　　紫外光 “充电” 即可恢复

　　普通应力发光材料用久了，发光强度会衰减，但这款新材料解决了这个问题：经过多次按压后，只要用紫外光照射一下，就能快速恢复原本的发光强度，重复使用性能优异，大大降低了实际应用的成本。

　　发光背后的“秘密”：电子的“陷阱游戏”

　　为什么添加了Bi³⁺离子后

　　材料的性能会有这么大的提升？

　　研发团队通过

　　热释光分析和密度泛函理论（DFT）

　　第一性原理计算

　　揭开了背后的科学机制

　　我们可以用一个通俗的比喻来理解：

　　材料内部就像一个“电子仓库”

　　里面有很多“陷阱”（陷阱中心）

　　这些陷阱会储存电子

　　当材料受到按压等机械力时

　　这些被锁住的电子会被释放出来

　　电子跃迁过程中就会发出光

　　这就是应力发光的基本原理

　　研究发现

　　这款新材料内部有三个“电子陷阱”

　　陷阱深度分别为

　　0.696eV、0.770eV和0.852eV

　　前两个陷阱是释放电子的“主力军”

　　而第一性原理计算显示

　　当材料受到应力时

　　它的“禁带宽度”会线性减小

　　（可以理解为电子跃迁的“门槛”）

　　这就相当于降低了“电子陷阱”的深度

　　让电子更容易跑出来

　　从而让发光强度大大提升

　　简单说

　　Bi³⁺离子的加入

　　不仅增加了电子的“储存量”

　　还优化了电子的“释放通道”

　　让机械力能更高效地转化为光能

　　实际应用：柔性+刚性，防伪技术再升级

　　基于这些优异性能

　　研发团队成功开发出

　　多模式动态（拉拽）防伪器件

　　而且分为两种形式，适配不同场景：

　　（1）柔性器件：将材料与 PDMS（一种常用的硅橡胶）结合，制成可弯曲、可折叠的柔性标识，比如贴在商品包装上，方便贴合各种形状的物体；

　　（2）刚性器件：将材料与高硼玻璃结合，制成坚硬耐用的防伪标识，只需要在表面按一定力度划过就随着划痕可以看到光，适合用于需要长期保存的产品（如高端烟酒、文物证书等）。

　　这款防伪器件的“防伪大招”非常亮眼

　　以雪花为主题的防伪标识为例

　　在太阳光下是普通的雪花图案

　　用254nm紫外光照射

　　会呈现一种颜色

　　用365nm紫外光照射

　　又会切换成另一种颜色

　　更神奇的是

　　用手摩擦雪花图案时

　　会立刻显现出绿色的发光划痕

　　而且划痕会随着摩擦的轨迹变化。

　　这种“多光源变色+机械发光”

　　双重防伪模式

　　大大提升了防伪的复杂性和安全性

　　普通造假者很难复制

　　这种“一材多效”的特性

　　能有效遏制假冒伪劣产品

　　该项研究不仅成功提升了

　　镓酸盐体系应力发光材料的性能

　　填补了相关领域的技术空白

　　还为光学防伪器件设计

　　提供了全新思路

　　未来

　　这款新型智能材料

　　应用场景还能进一步拓展

　　在应力传感领域

　　它可以制成高精度的压力传感器

　　用于工业设备的压力监测

　　机器人的触觉感知

　　在柔性电子领域

　　它能作为柔性显示屏的发光单元

　　实现“按压发光”的互动效果

　　在智能包装领域

　　它可以做成“防伪+溯源”一体化标签

　　消费者通过简单的摩擦和紫外灯照射

　　就能快速验证商品真伪

　　相关成果发表于

　　稀土领域的国际顶流核心期刊

　　《Journal of Rare Earths》

　　该研究获得自治区自然科学基金项目支持

　　附件：