日本研究团队开发无稀土氧化锌机械发光材料

维度网讯，日本东北大学联合筑波大学与佐贺大学的研究团队开发出一种氧化锌（ZnO）材料，在不使用稀土元素的情况下实现了高强度、高灵敏度的机械发光性能。机械发光材料能将应力、应变和振动等机械能直接转化为光，无需电池或电线，是一种自供能传感器，在生物医学传感器和基础设施监测领域具有应用前景。但此前高性能机械发光材料通常依赖昂贵的稀土金属或复杂组成。

这种新材料使用氧化锌，这是一种地球上储量丰富且已广泛应用于防晒霜、化妆品和药膏中的材料，兼具高灵敏度和低成本优势。

研究人员通过在氧化锌中添加少量钠，并精确控制材料的结构缺陷，首次证明氧化锌在不使用稀土元素时能够实现强且高灵敏度的机械发光特性。

团队采用先进的电子显微镜和计算机建模分析材料性能。显微镜显示，颗粒表面具有特征性的陨石坑状结构，能有效将外力转化为内部应变。同时，研究团队使用以仙台创始人伊达政宗命名的超级计算机MASAMUNE-II进行的第一性原理计算表明，痕量钠能产生稳定的结构缺陷，可暂时储存电荷。

计算还指出，锌空位是材料发出近红外光的原因。这些结构缺陷协同作用，使材料在仅几千帕的压力下（相当于指尖轻触产生的压力）发出明亮的光。

由于发出的近红外光能较好穿透生物组织，该材料可用于无需内部电源的医疗传感器，例如通过超声波等微弱振动从体外激活。该材料还可应用于桥梁、建筑物或风力涡轮机叶片等基础设施的监测，将微小应变和早期磨损迹象以可见光形式呈现，助力实现无需布线或专用电源的远程监测系统。

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