自16世纪发现荧光现象以来，长余辉材料在显示、传感等领域应用广泛。然而，传统工程塑料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）因三重态激子在常温下快速发生非辐射衰减，几乎无法产生持久余辉。尽管近年来分子工程策略通过重原子掺杂或特殊结构设计实现了室温磷光（RTP）聚合物，但其余辉寿命仍局限于毫秒至秒级，远低于可达数小时的无机材料。如何延长聚合物余辉寿命，成为材料科学领域的重大挑战。

中山大学梁国栋副教授团队提出一种与工业工程兼容的分子掺杂策略，成功制备出余辉持续时间超24小时的塑料。研究以芳香塑料PET为基质（电子受体），通过熔融共混技术掺入螺芴衍生物DCSF（电子供体及发色团）。所得材料在常温下呈现绿色余辉持续24小时以上，4℃低温环境余辉更长达100小时，刷新聚合物余辉寿命纪录。该材料可被自然阳光激活，在空气中维持5小时可见绿光，同时兼具优异柔韧性与透明度，为柔性显示及可穿戴设备提供新可能。

设计策略与规模化制备

研究团队受无机长余辉材料启发（图1a），提出聚合物中供体/受体（D/A）激基复合物形成机制（图1b）。以工业级PET为基质，DCSF为掺杂剂，通过熔融共混→造粒→热压三步工艺实现规模化生产（图1c）。所得塑料在紫外光关闭后仍发出强烈绿光（图1d），化学结构显示PET的酯基为电子受体，DCSF的咔唑单元为电子供体（图1e）。

图 1.持续小时级余辉（HLA） 塑料的设计策略和可扩展制造。

光学性能与日光激活特性

DCSF/PET在365 nm紫外激发下发射蓝光（466 nm），停止激发后转为505 nm绿光余辉（图2a）。光谱分析证实余辉源自电荷转移（CT）态，延迟60秒后仍清晰可测（图2b）。衰减动力学符合Debye-Edwards定律（I∝t⁻ᵐ），揭示电荷复合主导余辉过程（图2c）。材料在350–430 nm宽谱激发下均激活余辉，峰值位于390 nm（图2d–f）。最大突破在于日光激活能力：阳光照射5分钟后，余辉强度提升千倍，肉眼可见绿色发光持续5小时（图2h,i）。

图 2.掺杂塑料HLA的光致发光性能。

余辉机制的关键证据

紫外光谱显示DCSF/PET在370 nm处吸收峰红移，400–700 nm出现宽尾吸收，证实D/A间强相互作用（图3a）。紫外照射后，467 nm和498 nm处出现PET阴离子自由基特征峰（图3b）。飞秒瞬态吸收光谱捕获激基复合物形成（0.1 ps）、振动弛豫（44.7 ps）及电荷分离（4.1 ns）三阶段动力学（图3c–e）。电子自旋共振（ESR）信号直接检测到自由基生成（图3f），验证了“光激发→D/A复合物解离→自由基扩散→复合发光”机制。

图 3.掺杂塑料 HLA 的机制洞察。

理论计算揭示分子作用机制

量子力学/分子力学（QM/MM）模拟显示DCSF与PET链间距仅2.47–3.85 Å（图4c），存在π-H-O短程作用力，固定激基复合物并抑制非辐射衰减。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）中C-H（3070 cm⁻¹）和C=O（1718 cm⁻¹）振动峰位移进一步证实分子间相互作用。TD-DFT计算表明：HOMO定域于DCSF的咔唑单元，LUMO位于PET对苯二甲酸酯（图4d），电荷转移是余辉的核心驱动力。

图 4.机制研究的理论计算。

分子结构调控规律

通过对比不同电子供体（DCSF、NPC、SP、CZ）的性能（图5a–c），发现DCSF/PET余辉最强。其优势源于螺芴-咔唑双功能结构：供体HOMO与受体LUMO能级差（ΔE）为2.5 eV时余辉最优（图5d,e），供体电离能越低（6.2 eV）越易形成阳离子自由基（图5f）。静电势分析显示DCSF氮原子（-19.15 kcal/mol）与PET氧原子（-32.27 kcal/mol）形成强氢键网络（图5g），显著提升材料稳定性。

图 5.电子供体对 HLA 的影响。

柔性显示与可穿戴应用

利用材料透明柔韧特性，团队开发出可重复擦写的柔性显示器（图6a）：紫外照射1分钟刻录"SYSU"图案，关灯后绿色余辉肉眼可见1小时（图6b）。余辉纤维编织的衣物同样显示发光文字（图6c,d）。材料在空气和水中储存两月后性能不变，氢键网络有效阻隔环境氧/水侵蚀。

图 6.HLA 塑料的多种 应用。

未来展望：开启长效余辉材料新纪元

该研究通过简易熔融共混技术，首次实现工业化兼容的24小时余辉塑料。日光激活特性、超长寿命与柔性透明优势，使其在柔性显示、可穿戴设备等领域极具应用潜力。团队揭示的能级调控规律（ΔE与电离能）为设计下一代长余辉材料提供理论蓝图。随着规模化生产的推进，这种"夜光塑料"有望革新信息显示与智能穿戴技术，引领有机光学材料进入全新发展阶段。

来源：高分子科学前沿

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