摘要：面向新一代光学器件发展需求，构建集成多模式光学信号的刺激响应型器件备受关注。这类装置不仅能实现不同光信号在外界刺激下的交互响应，更可调控光学信号的独立或协同输出，从而显著提升器件的灵敏度和响应效率。光与物质相互作用生成的光信号可分为两类：一类是经由物理微结构调

面向新一代光学器件发展需求，构建集成多模式光学信号的刺激响应型器件备受关注。这类装置不仅能实现不同光信号在外界刺激下的交互响应，更可调控光学信号的独立或协同输出，从而显著提升器件的灵敏度和响应效率。光与物质相互作用生成的光信号可分为两类：一类是经由物理微结构调制形成的透射光、散射光和反射光；另一类是由化学基团或缺陷态产生的荧光和磷光。然而，制备方法的差异与发光机制的非相关性严重制约了物理微结构与化学发光单元的兼容性。另外，形变诱导的光信号转换因不依赖外部能量输入、响应速度快和灵敏度高而受到日益增多的关注。但目前所报导的此类光学器件的制备过程复杂，输出的光信号单一，视觉效果与转换效率十分有限。因此，开发能够协同调控刺激响应矩阵、物理光调制结构与化学发光单元的一体化设计策略仍面临重大挑战。

近日，西安交通大学卢学刚教授和杨森教授与其合作者实现了一种集成透射光、散射光、荧光（FL）和室温磷光（RTP）的多模式光学信号响应系统。通过高温煅烧包覆荧光碳点（CDs）的单分散SiO₂纳米球（SiO₂ NPs），成功制备出兼具单分散特性、均匀球形形貌与长寿命室温磷光的RTP-SiO₂ NPs。进一步将RTP-SiO₂ NPs与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合，构建了多光学形态集成的弹性体（MOME）。在外力拉伸或挤压作用下，材料内部微裂纹和微空隙的形成导致折射率失配，使MOME呈现从透明态向白色散射态的可逆转变。同时，形变诱导的散射增强显著提升了材料的FL和RTP发光强度，并赋予其独特的动态调控特性。据文献调研，这是目前首例实现形变诱导FL与RTP自散射增强且动态可逆调控的报导。通过协同利用MOME的光散射调制特性及其形变依赖的FL/RTP发光特性，可实现水下管道位移偏差、泄漏检测、泄漏速率评估、管道膨胀及局部异常凸起等工况的实时可视化感知与监测。该研究成果为多模式光学集成器件的设计提供了一种新的解决方案，相关工作以“Deformation-Induced Multioptical Morphology Elastomer Constructed from Phosphorescent Nanospheres for Underwater Mechanical Sensing”为题发表在《ACS Nano》上。

1.单分散磷光SiO2纳米球的制备

为了实现了物理光调制结构与化学发光的有效兼容，研究人员首先利用改良的Stöber方法制备包覆荧光碳点（CDs）的单分散SiO₂纳米球（SiO₂ NPs），随后通过在530 °C煅烧包覆荧光碳点（CDs）的SiO₂纳米球，成功制备出兼具单分散特性、均匀球形形貌与长寿命室温磷光的RTP-SiO₂ NPs。与传统的磷光材料相比，这些具有规则形貌的长寿命磷光纳米球在未来光学器件的设计中显示出巨大的应用潜力。

图1 单分散RTP-SiO2 NPs及其光学特性

2.多光学形态集成的弹性体（MOME）的制备及其光学特性的研究

将RTP-SiO2 NPs沉积到玻璃基板上形成无序准非晶光子涂层。然后，将PDMS前驱体溶液浇注在光子涂层上，通过固化和剥离获得MOME。自然松弛状态下，RTP-SiO2 NPs的折射率（n∼1.457）与PDMS折射率（n∼1.425）十分接近，因此制备的MOME在日光下表现出高的透明度，而FL和RTP表现为弱发射。然而，在外力拉伸作用下，材料内部微裂纹和微空隙的形成导致折射率失配，光散射显著增强，使MOME从透明态向白色散射态的可逆转变。这种形变诱导的散射增强也导致入射的紫外光在MOME内部和表面发生多次反射和重定向，这不仅增加了紫外激发光的散射强度，还增强了散射紫外光与RTP-SiO2 NPs之间的相互作用，从而显著提升了材料的FL和RTP发光强度。

图2 MOME的形变诱导光学切换特性以及物理机理

3.MOME的动态拉伸调控、溶剂-变形协同调控和挤压发光的特性

除了拉伸变形外，MOME还具备多种刺激响应的光学切换特性。在RTP衰减过程中，原本持续衰减的磷光强度在快速拉伸时会随着形变量增强，表现出独特的在衰减过程中的拉伸诱导余晖增强行为。此外，块状MOME具有挤压弯曲诱导光信号增强的行为。MOME块体的FL和RTP强度随着弯曲角度的增加而迅速增加，相比于初始状态（0o），在最大弯曲角度（180o）下FL和RTP分别提高了约106倍和50倍。

图3 MOME的形变诱导光学切换特性以及物理机制

4.MOME对水下管道状态日常监测的应用

MOME独特的机械形变响应光学行为在水下机械力（水压、水流、水冲击等）传感领域展现出显著优势。通过协同利用MOME的光散射调制特性及其形变依赖的FL/RTP发光特性，研究人员系统探索了该材料作为光学传感装置在水下管道位移偏差、泄漏检测、泄漏速率评估、管道膨胀及局部异常凸起等工况的实时可视化感知与监测应用。

图4 基于MOME的形变诱导的散射增强行为实现对水下管道间距，位移偏移和溶剂泄漏传感

图5. 基于MOME的形变诱导的自散射荧光和磷光增强行为实现对水下管道的瞬态膨胀和管道局部异常突起的传感

5.小结

研究人员提出了一种有效的策略来制备具有形变诱导的多光信号转换的光学器件。所制备的光学器件具有多种优势，如制备过程简便、光学信号响应丰富、响应效率高、视觉效果强等。此外，通过调控材料的微观结构和化学成分构建形变诱导的多光学形貌转换材料，不仅可以实现光信号的多维控制，还可以实现不同光信号的独立或协同调控，大大提高了响应的灵敏度和效率。这项研究成果为多模式光学集成器件的设计提供了突破性解决方案。具有多信号输出的响应型光学器件的成功构建，为实现器件光学信号与响应效率的多维度调控提供了机会，展现出广阔的应用前景。

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来源：老郑说科学