新型仿生柔性薄膜兼具高强与高光亮

不用通电、不用布线，拉扯、揉搓、刮擦就能自动发光，这种摩擦/ 力致发光柔性材料，是下一代智能穿戴、工程监测、防伪加密领域的明星材料。但长期以来，行业通用的 PDMS 基底脆而易裂、拉伸与发光性能难以兼顾，始终制约技术落地。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋研究员团队从蛤蜊铰链中汲取灵感，研发出高低韧性交替仿生多层复合薄膜，同步实现材料拉伸能力、抗疲劳寿命、发光亮度大幅跃升，相关成果刊发于国际顶级期刊《先进材料（Advanced Materials）》。

编织的摩擦/力致发光柔性可穿戴织物。兰州化物所供图。

柔性发光材料遇“天生短板”

“很多人没见过力致发光材料，打个通俗比方，它是一种‘受力就发光’的智能软膜，自身就能把拉力、压力转化成光信号，相当于自带传感和显示功能，完全不需要电池供电。”王赵锋向记者解释道。

传统传感器只能单点采集数据，而这种发光薄膜整片均可响应外力，桥梁、机械、人体关节哪里受力，哪里就会亮起，能直观呈现全域应力分布。

做成织物穿在身上，关节弯曲就能发光预警运动损伤。贴在大型构件表面，微小形变会带来亮度变化，实现无电源结构自检。做成防伪膜，揉搓后显现专属光纹，复印扫描无法仿制，应用场景十分广阔。

目前全球制备柔性发光器件，几乎都选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体。王赵锋表示：“PDMS 优势很突出，透光性好、塑形简单，粉体和基体摩擦容易激发光亮，很长一段时间里没有更好的替代材料。但它有一个致命缺陷 —— 韧性太差，像质地偏脆的软胶，最多拉长一倍就断裂。”

反复拉伸过程中，PDMS 薄膜极易产生微裂纹，裂纹会迅速贯穿整片材料，几百次循环后彻底失效。一方面拉伸上限低，发光粉体无法充分摩擦，亮度提升存在天花板。另一方面材料不耐疲劳，无法适配人体关节、工程机械长期交变受力工况。

多年来，科研人员尝试填料掺杂、化学交联等改性手段，却始终逃不开“韧性上去、发光变弱”的矛盾，成为行业公认的核心瓶颈。

织物受力后发光效果。兰州化物所供图。

观察蛤蜊开合数十万次不破损

难题的突破口，藏在生活中常见的蛤蜊身上。团队在研究生物结构时发现，蛤蜊壳体连接的铰链，一生开合几十万次也不会开裂损坏。

“蛤蜊铰链是软硬相间的层状结构，硬质矿物层承担拉力，柔软有机质夹层通过变形分散、消耗外力，裂纹一到软层就被拦住，很难继续扩散。”王赵锋说，这种天然“分层缓冲”机制给了团队关键启发，何不模仿这套结构改造发光薄膜？

研究团队确立“功能分离、分层集成” 设计方案。让混有发光粉体的PDMS 薄层专职发光，高韧性硅橡胶（SR）夹层负责抗裂增韧，两种材料一层一层交替堆叠，如同制作千层蛋糕。

研发人员采用交替旋涂、分步热固化工艺，在总厚度约1毫米的薄膜内，制备出3层、5层、7层、9层梯度多层结构。

谈及工艺攻关难点，王赵锋坦言，初期团队试过喷涂、刮涂、丝网印刷多种制备方式，都存在层厚不均、夹层气泡、层间脱落问题。“多层结构想要发挥作用，每层必须平整均匀，层与层粘接牢固，否则分层失效，一切设计都白费。经过多轮迭代，旋涂工艺才能精准控制每层厚度，搭配分步半固化，完美解决界面结合难题。”

受发光粉体粒径限制，单层发光层不能过薄，1 毫米总厚度下，9 层是当前实验室工艺能实现的最优构型。得益于 PDMS 与硅橡胶化学性质相近，多层薄膜界面平整贴合，完整保留拉伸、揉捏、刮擦、撕裂多类机械刺激发光响应能力。

摩擦/力致发光柔性材料用于编织绳状、结状、网状等各类图案化织物。兰州化物所供图。

拉伸翻5倍、亮度提4倍

力学与光学测试结果显示，仿生分层结构带来全方位性能飞跃，层数越多综合表现越优异，9 层薄膜性能达到峰值。单层 PDMS 薄膜断裂应变仅 100%，9 层薄膜可拉长至原长 500% 才断裂。断裂韧性从0.95 MJ/m3 提升至 4.93 MJ/m3，抗撕裂能力提升近 5 倍。

疲劳耐久数据差距更为明显。在200%拉伸幅度下，3层薄膜仅能循环145次，5层薄膜500次，7层、9层薄膜均可稳定拉伸上千次。即便在400%极限大应变下，9层薄膜连续拉伸30000次，发光强度依旧稳定。科研人员还做了极端缺陷测试，人为剪出2毫米缺口，单层薄膜带缺口拉伸至40%就彻底断裂，而9层仿生薄膜拉至400%，缺口几乎没有扩张。

为何分层结构能同时增强韧性、拉伸性与发光效果？王赵锋拆解了三层核心机理。首先是应力均匀化，薄膜薄层化缩短应力传递路径，受力不会集中在局部，从源头减少裂纹生成。其次是裂纹阻滞耗散，硅橡胶夹层相当于裂纹“减速带”，裂纹在 PDMS 层快速延伸，接触韧性夹层后传播速度大幅下降，依靠层间滑移消耗断裂能量，阻止整片薄膜撕裂。最后是分子链充分舒展，薄层结构减少高分子链缠绕束缚，材料拉伸上限显著提升，更大形变让发光粉体与基体充分摩擦，亮度随之大幅上涨。

“我们还通过有限元模拟、扫描电镜微观表征、缺口对照实验，完整印证这套作用逻辑。”王赵锋补充，研究证实该薄膜发光亮度由拉伸应变主导，而非施加外力。多层薄膜同等拉力下形变更大，不仅发光亮度提升4倍以上，传感灵敏度也显著改善，仅10%微小拉伸就能产生可识别光信号，0%至400%宽应变区间内，发光强度随形变准线性变化，可精准实时追踪应力大小。

过去学界一直误以为粉体发光效率是亮度短板，这项研究厘清关键。PDMS 基体拉伸不足，才是限制发光上限的根本原因。仅依靠结构仿生，不改动发光粉体、不牺牲发光性能，就打通了力学与光学双重瓶颈，为柔性力致发光材料开辟全新改良路线。

摩擦/力致发光柔性材料用于编织绳状、结状、网状等各类图案化织物。兰州化物所供图。

产业化仍需攻克工艺难关

依托优异综合性能，团队已经完成多款原型器件研发，覆盖可穿戴健康监测、工程设备自检、力学笔迹防伪、无源柔性显示四大实用方向。

将多层薄膜加工成细丝编织智能织物，贴合手肘、膝盖后，关节活动拉伸面料即可发光。团队配套搭建无线监测系统，光信号经光电转换传输至手机终端，实时记录关节活动幅度，亮度异常升高时，可预警关节过载、运动损伤，适用于运动康复、老年健康监测。

在工业领域，薄膜可贴附桥梁、压力容器、机械零部件表面，构件出现早期微变形、微裂纹时，对应区域亮度同步改变，不用布线、不用供电就能完成全域结构健康自诊断，大幅降低大型设备巡检成本。

信息加密与防伪领域同样前景广阔。用笔在薄膜表面书写，书写力度转化为差异化发光亮度，形成独一无二的“力学笔迹”，依靠个人施力特征实现不可复刻防伪。拉伸、揉捏、刮擦不同刺激会产生特征迥异的光信号，可设置多重力学密码，用于涉密标识、高端商品防伪。此外，薄膜可任意裁剪图案，依靠风力、人体触碰发光，能制作户外无源警示标牌、断电应急指示面板。

谈及技术走向商业化还面临哪些挑战，王赵锋十分客观：“目前成果以实验室机理验证为主，距离大规模量产还有四道核心关卡。”一是旋涂工艺制备效率偏低，需要开发连续化工业涂布方案。二是薄膜总厚度1毫米，穿戴场景需要进一步轻薄化。三是现有扁平丝难以深度适配纺织产业，下一步要攻关超细圆形发光纤维。四是当前10%应变的发光触发阈值偏高，微弱振动、轻微触碰难以发光，需要优化提升灵敏度。

除工艺迭代外，团队下一步还将优化材料耐候性，提升高低温、日晒、潮湿环境稳定性，拓展户外、工业复杂工况适用范围。同时把这套仿生分层思路推广到更多弹性基体与发光粉体体系，丰富材料选择。

“传统材料改良大多从化学配方入手，而我们跳出固有思路，向自然生物结构找答案，用简单分层结构实现性能质变。”王赵锋表示，蛤蜊仿生多层复合策略普适性强、制备简便，不仅推动无源柔性传感、智能穿戴产业技术升级，也为各类弹性复合功能材料提供了仿生结构设计新思路。

未来团队将持续推进工艺放大与应用开发，推动这款“受力发光”的仿生薄膜真正走出实验室，走进大众生活与工业一线。