Механолюминесценция и триболюминесценция

Механолюминесценция (МЛ) — это явление свечения вещества при механическом воздействии, таком как растяжение, сжатие, трение или удары. Основной физико-химический механизм МЛ связан с преобразованием механической энергии в энергию электронных возбуждений, приводящую к испусканию фотонов. Явление наблюдается как в кристаллических твердых телах, так и в аморфных полимерах, органических соединениях и неорганических люминофорах.

Механизм возникновения механолюминесценции

1. Деформация кристаллической решетки. При приложении механической силы нарушается симметрия кристаллической структуры. Локальные смещения атомов создают высокое локальное электрическое поле, которое может возбуждать электроны из валентной зоны в возбужденное состояние.

2. Разрушение ковалентных или слабых межмолекулярных связей. В органических соединениях удар может разрывать химические связи с образованием высокоэнергетических радикалов. Эти радикалы при рекомбинации возвращаются в основное состояние с испусканием фотонов.

3. Роль дефектов и донорно-акцепторных центров. МЛ особенно интенсивна в материалах с встроенными люминофорами или центрами захвата энергии. Дефекты кристалла, такие как вакансии или включения, создают локальные состояния, которые способствуют накоплению и последующему высвобождению энергии.

Классификация механолюминесценции

• Твердотельная МЛ: наблюдается в кристаллах и керамиках. Связана с упорядоченными структурами, где деформация кристаллической решетки создает электрическое поле.
• Полимерная МЛ: проявляется в эластичных материалах при растяжении или сжатии. Механическая энергия передается люминофорным центрам через деформацию макромолекул.
• МЛ при трении (триболюминесценция): возникает при скольжении или трении материалов друг о друга. Является частным случаем механолюминесценции, где энергия механического воздействия локализована на поверхности.

Триболюминесценция

Триболюминесценция (ТЛ) — это свечения, возникающие при трении, разрыве или скалывании материала. Основные механизмы:

1. Электростатическая модель. При трении образуются локальные заряды на поверхности материала. Их разряд приводит к генерации высокоэнергетических электронов, которые возбуждают люминофоры и вызывают свечение.

2. Механохимическая модель. Молекулы на поверхности подвергаются разрушению или химическим реакциям под действием силы трения, что ведет к образованию возбужденных состояний.

3. Эмиссия от кристаллических дефектов. ТЛ особенно выражена в кристаллах с асимметричной структурой и наличием донорно-акцепторных центров, которые служат ловушками энергии. При трении энергия высвобождается в виде света.

Характеристика механолюминесценции

• Спектр излучения часто совпадает со спектром люминофора, присутствующего в материале, но может быть смещен за счет локальных полевых эффектов.
• Время свечения кратковременно, обычно микросекунды до миллисекунд, что отражает быстрый процесс рекомбинации возбужденных состояний.
• Зависимость от температуры и давления: усиление механической силы и понижение температуры могут увеличить интенсивность МЛ, поскольку снижается нерадиационное рассеивание энергии.

Практическое значение

Механолюминесценция и триболюминесценция находят применение в:

• Датчиках деформации и повреждений материалов, где свечением фиксируется зона локальных напряжений.
• Сигнальных устройствах и визуализации механических процессов в сложных механизмах.
• Фундаментальных исследованиях кристаллических дефектов, межмолекулярного взаимодействия и поведения радикалов при механическом возбуждении.

Исследовательские подходы

Для изучения МЛ и ТЛ применяются:

• Спектроскопия эмиссии с высоким временным разрешением для анализа мгновенной динамики свечения.
• Фотонная корреляционная спектроскопия, позволяющая фиксировать дискретные события свечения.
• Молекулярное моделирование и квантово-химические расчеты, объясняющие механизмы передачи энергии и рекомбинации радикалов.

Эти методы позволяют уточнять роль локальных дефектов, влияния структуры материала и природы люминофорных центров на интенсивность и спектр механолюминесценции.