Ученые из Шаньдунского университета совместно со своими коллегами из Ланьчжоуского института химической физики при Китайской академии наук разработали эластичный материал, который может излучать ультрафиолетовый свет в ответ на механическое воздействие, например растяжение, трение или изгиб. Этот эффект позволяет генерировать свет непосредственно при движении, без использования батарей, проводов или внешнего источника питания. Такие автономные материалы могут стать основой для нового поколения носимых датчиков, «умной» кожи для роботов или систем скрытой маркировки, а также использоваться для стерилизации поверхностей безопасным ультрафиолетовым излучением.
Чтобы создать этот материал, исследователи синтезировали неорганический люминофор Sr₃(BO₃)₂, то есть бромат стронция, легированный ионами празеодима, и равномерно распределили его микрочастицы в эластичной полимерной матрице из полидиметилсилоксана. Решающее значение имело формирование прочного межфазного контакта между кристаллами люминофора и полимером. Именно на этом стыке происходит контактная электризация при механической деформации: повторяющиеся циклы соприкосновения и разъединения поверхностей приводят к переносу электронов, в результате чего образуется локальное электрическое поле, которое возбуждает ионы празеодима и приводит к излучению ультрафиолетового света.
Эксперименты показали, что полученный композит излучает интенсивное ультрафиолетовое излучение с пиковой длиной волны 272 нанометра. Этот диапазон относится к так называемому «слепому» ультрафиолетовому излучению, которое практически отсутствует в естественном солнечном свете и поэтому легко обнаруживается даже при ярком внешнем освещении. В первом цикле растяжения плотность мощности излучения достигла примерно 6,2 мВт на квадратный метр. Во время циклических испытаний материал сохранял заметную люминесценцию даже после 10 000 циклов деформации, что свидетельствует о высокой стабильности эффекта.
Способность материала к самовосстановлению также была важна. После снятия нагрузки межфазные связи частично восстанавливаются самостоятельно. Всего за одну секунду отдыха интенсивность ультрафиолетового свечения возвращается примерно к 43 % от исходного уровня, а через 24 часа достигает примерно 90 %. В то же время исследователи продемонстрировали, что оптимальный баланс между яркостью и долговечностью достигается при умеренной деформации до 40 %. Хотя при более высоком растяжении начальный сигнал становится ярче, это также ускоряет разрушение границы раздела между люминофорными частицами и полимером, сокращая период стабильной работы.
Ученые изучают возможности практического применения этого материала. Например, его можно использовать в автономных механических датчиках нагрузки и деформации, гибких сенсорных покрытиях и «умных» элементах кожи для робототехники, где важно визуально контролировать распределение нагрузки без использования сложной электроники.
Невосприимчивость излучения к солнечному свету делает его перспективным материалом для скрытой оптической маркировки и отслеживания объектов на открытом воздухе. В качестве демонстрации исследователи прикрепили эластичную плёнку к крылу модели птицы: при взмахе она начинала светиться в ультрафиолетовом свете, что позволяло надёжно фиксировать движение даже при ярком солнечном свете. То есть она работала как автономная оптическая метка.
Другое направление исследований связано с бактерицидными свойствами жёсткого ультрафиолетового излучения. Эксперименты показали, что при многократном растяжении плёнки генерируемое излучение убивает вредные бактерии, в том числе кишечную палочку и стафилококк. Это открывает путь к созданию самоочищающихся поверхностей, таких как дверные ручки или медицинские инструменты, которые самостерилизуются при использовании.
В настоящее время эта работа находится на стадии исследования. Прежде чем эти материалы смогут перейти от лабораторных прототипов к инженерным устройствам, планируется провести ряд дополнительных экспериментов, чтобы оптимизировать интерфейс, повысить механическую прочность и более точно определить взаимосвязь между нагрузкой и выходной мощностью ультрафиолетового излучения.