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【JACS】超高效有机机械磷光材料：压力传感、超声发光与海洋机器人应用前景 ​

在最近发表的一篇最新研究文章中，研究人员报道了一种名为 p-BPM 的全有机机械磷光（MP）材料，其磷光效率高达 61.4%，远超现有有机 MP 材料的记录。这一突破性的材料不仅在压力传感领域展现出巨大潜力，还可以用于超声激发发光、海洋机器人技术等多种应用场景。以下是该研究的详细总结：

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机械磷光材料的背景与挑战 ​

机械发光（ML）材料在受到机械刺激时能够发光，广泛应用于压力传感、光电子器件及生物医学诊断等领域。然而，现有的 MP 材料普遍面临亮度不足、量子效率低的问题，导致其在实际应用中受到限制。因此，开发高效 MP 材料成为当前研究的重要课题。

p-BPM 的分子设计与创新 ​

研究团队设计了一系列含溴原子的有机分子 (o-BPM、m-BPM 和 p-BPM)，其中 p-BPM 由于其非中心对称晶体结构和强分子偶极矩，展现出卓越的 MP 性能。其设计策略包括：

  • 通过 重原子效应（Se 和 Br） 增强自旋轨道耦合，提高磷光效率；
  • 采用 多重扭曲色团结构 来优化分子堆积方式；
  • 利用 晶体工程 限制非辐射能耗，提高发光性能。

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实验表明，在紫外光激发下，p-BPM 具有 564 nm 的强黄光发射峰，其磷光寿命长达 7.2 毫秒，远超传统有机 ML 材料。

机械磷光的机理分析 ​

在 p-BPM 晶体中：

  • 强 C–H···O 氢键和多重 C–H···π 作用使分子保持高度扭曲结构，减少非辐射损耗；
  • 其 偶极矩高达 4.10 D，有助于增强压电效应，提高机械磷光发光效率。

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当 p-BPM 晶体受到机械力作用时，瞬态压电电荷在晶体断裂区域产生，并促进单线态与三线态激子的形成。这使得材料在压力刺激下持续发光，表现出显著的机械磷光效应。

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机械磷光材料的潜在应用 ​

研究团队展示了 p-BPM 在压力传感、可视化显示以及超声检测方面的应用：

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(1) 压力传感与显示 ​

  • 研究人员构建了一个封装在石英槽中的 p-BPM 设备，并覆盖透明 PET 膜；
  • 用笔尖施加压力后，材料发光，记录输入信息，提供压力可视化功能；
  • p-BPM 在 15 次书写实验后仍保持高亮度，证明其稳定性与重复性优异。

(2) 柔性薄膜与超声应用 ​

为了适应水下超声检测，研究人员将 p-BPM 掺入 PBAT（聚对苯二甲酸丁二酯） 聚合物，形成柔性复合薄膜。实验表明：

  • 薄膜在拉伸状态下仍能保持机械磷光特性；
  • 在 40 kHz 的低频超声激励下，该材料仍可发光，满足水下信号探测需求。

(3) 能源收集与海洋机器人 ​

  • 研究人员设计了一个三层测试设备（p-BPM@PBAT 薄膜夹在铜电极之间），测量其压电发电性能；
  • 结果表明，p-BPM 在 10 wt% 掺杂浓度时，开路电压达 0.47 V，短路电流为 0.046 μA；
  • 该材料可用于水下声源定位，为海洋机器人和水下探测提供新思路。

结论与未来展望 ​

本研究成功开发了一种超高效的有机 MP 材料，并揭示了其非中心对称晶体结构和大分子偶极矩在 MP 现象中的关键作用。p-BPM 不仅能够用于压力传感和显示，还展示了水下超声诱导发光的潜力。未来，该材料可能广泛应用于：

  • 智能穿戴设备
  • 非接触式生物医学成像
  • 高效压电能量收集
  • 水下机器人与声学检测

这一突破性研究不仅推进了有机 ML 材料的发展，也为智能传感技术和水下探测技术开辟了新路径。

参考文献 ​

Ding, M.; Zhang, M.; Lv, A.; Dong, Q.; Zhang, Y.; Li, W.; An, Z.; Huang, W. High-Efficiency Organic Mechanophosphorescence from A Phenoselenazine Phosphor for Multiple Applications. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.4c17418. https://doi.org/10.1021/jacs.4c17418.