能量转换材料作为关键的智能物质,能够实现能量与信号的方向性转换,从而为现代高科技与集成系统提供重要的跨平台支撑策略。[1], [2] 在各类能量转换材料中,机械发光材料因其可直接将机械刺激转换为光子发射的特性,具有自供电运行等优势,这使其区别于传统的光致发光与电致发光系统。[3], [4] 这些独特性质使得机械发光材料在高密度光学存储、协同防伪以及实时动态传感等领域具有广阔的应用前景。[5], [6] 它们在各种苛刻环境下的应用可行性已被证实,比如极端环境监测、人机交互界面、生物医学成像与诊断、高安全性信息加密以及智能识别系统等。[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16] 尽管机械发光平台在下一代光机械技术中展现出巨大潜力,但要充分发挥其实际应用价值,还需在实现光谱可调发光及自恢复性能方面取得突破——这两项性能对材料在动态持续使用条件下的可靠性至关重要,但目前仍发展不足。
无机宿主材料的丰富结构多样性,再加上包括稀土离子、过渡金属离子以及主族激活剂在内的多种发光中心,使得机械发光现象能覆盖从紫外-C波段到远红外区域(200-1600纳米)的宽光谱范围。[17], [18] 为实现颜色可调的机械发光,一种常用的方法是在宿主晶格中掺入不同的激活剂离子,而这要求宿主材料具备较高的结构灵活性和离子容纳能力。这一策略已在多种代表性的机械发光宿主材料中得到验证,如CaZnOS、Sr?Al?O?Cl?、Ca?Ga?O?等。[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27] 同样重要的是机械发光材料的自恢复特性。与那些依赖外部能量源(如紫外线或X射线照射)来实现恢复功能的材料相比,自恢复型机械发光材料由于无需外部能量输入即可自主恢复功能,因此具有更高的实用价值。这类自恢复型机械发光材料已在多个领域展现出良好的应用前景。[32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39] 尽管已有诸多进展,但具备自恢复功能的机械发光材料仍然十分罕见,且主要存在于某些特定的宿主材料家族中,如镓酸盐、铝酸盐、硫化物、氟化物、磷酸盐以及氧卤化物等。[40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [18], [49], [50], [21] 这些材料广泛应用的主要障碍在于其本身的局限性,比如环境稳定性不足、合成工艺复杂以及光谱可调范围有限,这些因素共同制约了它们在需要长期稳定性能及可定制光学输出的应用场景中的使用。
值得一提的是,硼酸盐化合物早已被公认为经典的无机发光宿主材料,由于其出色的结构多样性和可调性,在固态发光领域发挥着不可或缺的作用。[52], [53], [54] BO?平面三角形与BO?四面体构成的灵活结构,不仅能为各种激活剂离子(如稀土离子和过渡金属离子)提供高度可调控的晶体场环境,从而实现从紫外线到近红外的可调发光,还能赋予材料优异的化学稳定性和宽范围的光学透明性。[55], [56], [57], [58], [59], [60], [61] 这些独特性质使得硼酸盐成为支持多种发光方式的通用平台,包括光致发光、电致发光以及X射线闪烁等,因此它们被广泛应用于白光LED照明、近红外生物成像以及中子检测与成像等先进技术中。[62], [63], [64], [65], [66] 这种结构适应性强且环境稳定性好的特点,使得硼酸盐成为克服现有自恢复型机械发光材料家族固有局限性的理想替代方案。不过,目前硼酸盐体系在机械发光领域的研究仍相对较少,其背后的物理机制及性能潜力也尚未得到充分探索。
在此基础上,研究人员充分利用了镧系离子与LaBO?宿主晶格之间的优异结构相容性,成功合成了多组纯相的LaBO?:Re3?(简称LBRe,Re = Sm, Eu, Tb, Dy, Tm)荧光粉。将这些荧光粉分散在聚二甲基硅氧烷基质中制成的柔性复合薄膜,能够在400至800纳米的可见光波段内实现自恢复机械发光。这项研究首次系统地阐明了LBRe体系中的机械发光机制,并证明了其在自供电光源及先进多模式防伪系统中的实际应用价值。除了拓展硼酸盐在机械光能转换领域的功能外,该研究还为开发新一代智能机械发光器件提供了全新的材料框架。