熒光材料發光的奧秘

◎ 莫尊理 楊麗婷

馬路執勤的交警所穿的黃色熒光服，在夜晚尤其顯眼。那么熒光服為什么會有熒光，其中有什么奧秘？這還要從夜明珠說起。

作為古代稀有珠寶，夜明珠只有少數富足之家能夠收藏，據說慈禧為了顯示身份貴極天下，口含夜明珠入葬。在古代，人們知識欠缺，并不知道夜明珠為什么在夜晚會發出如此神秘而又美麗的光，而僅僅把它作照明之用。

直到近代，人們才真正清楚極富神秘色彩的夜明珠在夜晚發光的原理，這引發了熒光材料的研發，為當今社會帶來了巨大的商業和產業變革，其中最具代表性的就是稀土熒光材料在許多領域顯示出巨大的應用空間，如熒光涂層、城市照明、舞臺效果、醫療檢測、環境監測。

如今看來，夜明珠實際上就是化學家眼中的螢石（主要成分為氟化鈣CaF2）。研究發現，螢石是一種天然發光礦石，白天不發光，而在夜晚發出耀眼的光芒，是因為它在自然界結晶的時候，會有少量的稀土元素摻雜其中，形成發光中心而產生熒光，從而呈現出綠色、藍色、紫色等。這些螢石還有一個特點，就是隨著溫度的升高，在能量的激發下可發光的稀土元素能產生更強的光。自然界中水母、螢火蟲等生物也發光，是因為它們體內存在熒光蛋白等一系列發光物質。

稀土元素是元素周期表中位于第三副族中的鈧、釔，以及鑭系元素中的鑭、鈰、鐠、釹等 17 種元素的總稱。稀土元素其實并不稀有，甚至比一些貴重金屬在地球的豐度還要高一些。稀土元素獨特的微觀能級結構，即獨特的電子亞層結構，在發生超靈敏躍遷時會有較為明顯的熒光性能，以及其他的電磁光性能。

稀土材料在高新技術產業領域有著廣闊的應用前景。熒光涂層在很多行業都有應用，在防偽標識、交通標志、生物醫藥領域有獨特的應用價值。在一些標識表面涂上特殊的熒光涂層，用普通光源照射不會顯示圖案，而在254納米的紫外燈的照射下，就會有相應的圖案顯現出來。紙幣防偽標識就是用的這個原理。

熒光材料還可以用來做金屬腐蝕預警，對熒光物質進行改進，然后進行金屬表面涂敷。當金屬受到腐蝕的時候，熒光物質對特定的酸堿度或腐蝕體的化學變化做出熒光響應，就能起到一定的預警作用，這就是熒光探針。

對人們生活產生巨大變化的熒光應用是照明燈具。傳統的照明燈基本是汞燈，這種燈具有實用的特點，但是使用壽命短，直到出現三基色熒光燈才解決了這一問題。三基色熒光燈在通電后激發離子汞輻射出紫外光，紫外光與三色熒光粉混合后就會形成白光。20世紀90年代，日本首先實現了釔鋁石榴石發光體系民用系統，開啟了發光二極管時代，它的優點是發黃光的釔鋁石榴石熒光粉配以發藍光的二極管就可發白光，實現了節能的目的，產生了真正意義上的冷光源燈。

我國蘊含著豐富的稀土資源，如何提高這些稀土資源的利用率，讓這些資源合理利用并盡可能回收，是科學研究急需解決的問題。

（魯言摘自《科普時報》2022年11月4日 圖/槿喑）