Ученые из Шаньдунского университета совместно с коллегами из Ланьчжоуского института химической физики Китайской академии наук разработали эластичный материал, способный излучать ультрафиолетовый свет в ответ на механическое воздействие – растяжение, трение или изгиб. Такой эффект позволяет получать свет напрямую из движения, без батареек, проводов и внешнего источника энергии. Подобные «самопитающиеся» материалы могут стать основой для нового поколения носимых датчиков, «умной» кожи для роботов, систем скрытой маркировки и даже для стерилизации поверхностей с помощью безопасного ультрафиолета.
Для создания материала исследователи синтезировали неорганический люминофор Sr₃(BO₃)₂ – бромат стронция, легированный ионами празеодима, и равномерно распределили его микрочастицы в эластичной полимерной матрице из полидиметилсилоксана. Принципиальное значение имело формирование прочного межфазного контакта между кристаллами люминофора и полимером. Именно на этой границе при механической деформации возникает контактная электризация: при повторяющихся циклах соприкосновения и разделения поверхностей происходит перенос электронов, формируется локальное электрическое поле, которое возбуждает ионы празеодима и приводит к излучению ультрафиолетового света.
Эксперименты показали, что полученный композит излучает интенсивное ультрафиолетовое излучение с максимумом на длине волны 272 нанометра. Этот диапазон относится к так называемому солнечно-слепому ультрафиолету, который практически отсутствует в естественном солнечном свете и потому легко регистрируется даже при ярком внешнем освещении. В первом цикле растяжения плотность излучаемой мощности достигала примерно 6,2 мВт на квадратный метр. При циклических испытаниях материал сохранял регистрируемое свечение даже после 10 000 циклов деформации, что указывает на высокую устойчивость эффекта.
Дополнительным важным свойством стала способность материала к самовосстановлению. После прекращения нагрузки межфазные связи частично восстанавливаются сами по себе. Уже через одну секунду покоя интенсивность ультрафиолетового свечения возвращается примерно к 43% от исходного уровня, а спустя сутки – примерно к 90%. При этом исследователи показали, что оптимальный баланс между яркостью и долговечностью достигается при умеренных деформациях, до 40%. Более сильное растяжение действительно дает более яркий начальный сигнал, но одновременно ускоряет деградацию интерфейса между частицами люминофора и полимером и снижает срок стабильной работы.
Ученые рассматривают несколько направлений практического применения такого материала. В частности, он может использоваться в автономных датчиках механических нагрузок и деформаций, в гибких сенсорных покрытиях и элементах «умной» кожи для робототехники, где важно визуально отслеживать распределение напряжений без сложной электроники.
Солнечно-слепой характер излучения делает материал перспективным для скрытой оптической маркировки и трекинга объектов на открытом воздухе. В качестве демонстрации исследователи закрепили эластичную пленку на крыле модели птицы: при взмахах она начинала светиться в ультрафиолете, позволяя уверенно фиксировать движение даже при ярком солнечном свете, то есть работать как самопитаемая оптическая метка.
Еще одно направление связано с бактерицидными свойствами жесткого ультрафиолета. В экспериментах показано, что при многократном растяжении пленки генерируемое излучение убивает вредные бактерии, включая кишечную палочку и стафилококк. Это открывает путь к созданию «самоочищающихся» поверхностей, например, для дверных ручек или медицинских инструментов, которые стерилизуют себя сами при использовании.
Работа находится пока на исследовательской стадии. Прежде чем подобные материалы смогут перейти от лабораторных образцов к инженерным устройствам, планируется серия дополнительных экспериментов, направленных на оптимизацию интерфейса, повышение механической долговечности и более точную количественную связь между нагрузкой и выходной мощностью ультрафиолетового излучения.
