熒光材料發(fā)光的奧秘

莫尊理 楊麗婷

馬路執(zhí)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(shù)富足之家能夠收藏，據(jù)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(fā)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(fā)光的原理，這引發(fā)了熒光材料的研發(fā)，為當今社會帶來了巨大的商業(yè)和產(chǎn)業(yè)變革，其中最具代表性的就是稀土熒光材料在許多領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用空間，如熒光涂層、城市照明、舞臺效果、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)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(fā)現(xiàn)，螢石是一種天然發(fā)光礦石，白天不發(fā)光，而在夜晚發(fā)出耀眼的光芒，是因為它在自然界結(jié)晶的時候，會有少量的稀土元素摻雜其中，形成發(fā)光中心而產(chǎn)生熒光，從而呈現(xiàn)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(fā)下可發(fā)光的稀土元素能產(chǎn)生更強的光。自然界中水母、螢火蟲等生物也發(fā)光，是因為它們體內(nèi)存在熒光蛋白等一系列發(fā)光物質(zhì)。

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(jié)構(gòu)，即獨特的電子亞層結(jié)構(gòu)，在發(fā)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(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。熒光涂層在很多行業(yè)都有應(yīng)用，在防偽標識、交通標志、生物醫(yī)藥領(lǐng)域有獨特的應(yīng)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(yīng)的圖案顯現(xiàn)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(zhì)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(zhì)對特定的酸堿度或腐蝕體的化學變化做出熒光響應(yīng)，就能起到一定的預警作用，這就是熒光探針。

對人們生活產(chǎn)生巨大變化的熒光應(yīng)用是照明燈具。傳統(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)了釔鋁石榴石發(fā)光體系民用系統(tǒng)，開啟了發(fā)光二極管時代，它的優(yōu)點是發(fā)黃光的釔鋁石榴石熒光粉配以發(fā)藍光的二極管就可發(fā)白光，實現(xiàn)了節(jié)能的目的，產(chǎn)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）