少し電力を与えると、長時間明るく保つことができます

制作：中国科学普及協会

著者: 王昭峰 (中国科学院蘭州化学物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

手をこすると温かさを感じます。プラスチックの櫛で髪をとかすと、静電気で髪の毛が舞い上がるだけでなく、パチパチという音を立てて手に当たることもあります。これらは私たちの生活の中でよくある摩擦の影響です。しかし、暗闇の中でキャンディーバーが砕けたり、テープが引き裂かれたりしたときに一瞬青い光が見えるのを私たちは見たことがあるでしょうか?

砕いたミントキャンディーの輝き

（画像出典：参考文献[1]）

この物体が外部からの機械的力（摩擦、引っかき、衝撃、圧縮、研磨など）の作用を受けて発生する発光現象を摩擦発光といいます。実際、外部刺激によって引き起こされるこの発光現象は、400 年以上も前に人類によって観察され、関連する論文に記録されていました。しかし、摩擦発光に対する人々の初期の理解が非常に限られており、実験条件が不十分であったため、摩擦発光の研究プロセスは非常に遅く、一般にはあまり知られていませんでした。

これは、アメリカインディアン部族における摩擦/機械的発光の単純な応用例です。半透明の牛革バッグラトルに水晶の破片が入っています。ラトルを振ると、水晶の破片が衝突して光りますが、この光は長続きしないため、広く利用されていません。

(画像出典: Wikipedia)

近年、摩擦発光研究は急速に進歩しており、特に摩擦発光材料は、適用された目に見えない機械情報を肉眼で見える発光信号に直接リンクできるため、グリーン照明、機械ディスプレイとセンシング、スマートウェアラブル、構造ヘルスモニタリング、スマートスキン、偽造防止などの分野で大きな応用展望を示しており、ワイヤレス、非接触、分散型機械ディスプレイとセンシング技術のブレークスルーのための革新的で効果的なソリューションを提供しています。

摩擦発光/機械発光は社会の進歩に利便性をもたらす一方で、人々はその性能に対してより高い要求を持っています。通常、摩擦発光は一時的な発光挙動であり、つまり、摩擦発光は材料に触れた瞬間にのみ発生します。しかし、この過渡的な発光動作には大きな制限があり、連続的な照明や表示機能を実現することはできないことは間違いありません。これが、摩擦/機械発光が長い間ゆっくりと発展してきた理由の 1 つです。

摩擦発光は一瞬しか続かず、長くは続かない。

(画像出典: Wikipedia)

長寿命摩擦発光は、機械的刺激後に継続的に光を発することができる現象であり、摩擦発光の過渡発光の問題を解決する有効な手段である。研究者らは、エネルギーを蓄えることができるタンクのような「トラップ」と呼ばれる構造を材料に導入した。これらのエネルギータンクが事前に満たされ、事前に蓄積されたエネルギーが機械的な力の作用によってゆっくりと放出される限り、長時間持続する摩擦発光/機械発光を生成することができます。しかし、このタイプの長寿命発光材料は、使用する前に毎回一定時間（5〜20分）充電する必要があり、実際の操作の難易度が大幅に高まります。では、事前充電を必要とせずに長寿命の摩擦発光/機械的発光を示すことができる材料はあるのでしょうか?

最近、中国科学院蘭州化学物理研究所の研究者らが、自己充電式の長寿命摩擦発光/機械発光材料を革新的に開発しました。この材料は使用前に前処理を必要としません。機械的な力によって駆動され、機械的エネルギーを材料内部に直接蓄えることができます。蓄積されたエネルギーはゆっくりと放出されるため、長寿命の摩擦/機械的発光効果を発揮します。

素材を「タップ」するだけで、10秒以上点灯します。

（画像出典：参考文献[2]）

この自己充電型、長寿命の摩擦/機械発光材料はエラストマー材料です。それを準備する際に、研究者はさまざまな型を使用して、カラフルな模様のあるさまざまな形に作るだけで済みます。事前充電が不要になった理由は、素材内部の「エネルギー貯蔵タンク」の「バルブ」が改良されたためです。研究者が材料に適用した機械的エネルギーは、「エネルギー貯蔵タンク」に直接充電され、その後、エネルギーがゆっくりと放出されて長寿命の摩擦/機械的発光が生成されます。したがって、この材料では事前充電のステップは不要になります。いつでも一度素材に力を加えるだけで、一定時間光り続けます。将来的には、材料の「エネルギー貯蔵タンク」構造をさらに改良し、材料に少し力を加えることで、数時間以上点灯し続けることができるようになるでしょう。その時までに、人間の照明やディスプレイは電力を消費する必要がなくなるでしょう。その代わりに、自然界に広く存在する風力エネルギーや潮力エネルギーなどのクリーンエネルギーや、人の移動や機械の動作など人間の生活や生産に伴う機械的エネルギーを活用することで実現できます。これにより、省エネと排出量削減が達成されるだけでなく、人間の生活幸福指数も確保されます。

次世代の照明やディスプレイへの応用に加えて、研究者たちは、自己充電の物理的プロセスと長寿命の摩擦/機械発光に着想を得て、機械的情報の長期にわたる安定した保存と、いつでもどこでも読み取れる機能をさらに実現しました。例えば、日常生活において、機器や装置、自動車などの乗り物が衝突した場合、その物質から衝突の強さ、場所、時間などの情報を読み取ることができ、機器の故障や装置の損傷評価、事故責任の判定の分析に科学的根拠を与えることができます。

参考文献:

[1] Monette Z、Kasar AK、Menezes P L. 摩擦発光と機械発光の進歩[J]。材料科学ジャーナル：エレクトロニクスにおける材料、2019年、30(22):19675-19690。

[2] Bai Y、Guo X、Tian B、Liang Y、Peng D、Wang Z. メカニクスストレージと可視化アクティビティを備えた自己充電持続メカノルミネセンス[J]。アドバンストサイエンス、2022年、2203249。