通过相工程实现多模可编程动态可调持久发光的坚固透明玻璃陶瓷

记住光的玻璃材料

想象一扇窗户在灯熄灭后仍能持续柔和发光，并且你只需加热或更换光源就能改变其颜色。本研究正是描述了这种材料：一种坚固、透明的玻璃陶瓷，能够“记住”光、将其储存为能量，并以可控的、持久的余辉释放出来。这类材料未来可用于在发光图案中存储信息、打击伪造，或在单块玻璃内实现新型的三维光学器件。

为何余辉重要

持久发光——光源关闭后仍持续的余辉——已用于应急出口标志和发光装饰。但现有大多数材料只能以一种固定颜色发光，且在加热或强光照射下常脆弱或不稳定。许多有机体系褪色迅速或在恶劣条件下降解，而一些无机粉末则不透明，必须混入塑料或墨水中使用，可能削弱其性能。理想的目标是一种单一、稳健的材料，其余辉颜色和亮度可通过光与温度反复编程，从而实现复杂的、多层信息的无接触写入与读取。

构筑“两相”玻璃

研究人员通过一种特殊的玻璃陶瓷来解决这一问题——在透明玻璃内部包含微小晶体。通过加入锂离子并精确热处理玻璃，他们触发了可控的相分离：固体分裂成两个紧密混合的“世界”。一者是无定形的玻璃基体；另一者是由稍偏离化学计量的硅酸锌组成的纳米级晶体群。负责发光的锰离子被有意地分布在这两相中。由于锰在玻璃与纳米晶体中所处的局域环境不同，它可以发出不同的颜色。同样重要的是，各相中俘获与释放电荷的缺陷和空位不同，形成了浅陷阱与深陷阱并存的丰富能量景观。

用光与热编程颜色

这种双相设计使材料表现得像一本具有不同深度储层的光存储书架。用高能紫外光激发时，两相的许多陷阱都会被填充，余辉以来自晶体中锰的略带绿色的光为主。用较温和的激发时，载流子被引导进入另一组陷阱，余辉偏向橙色，主要来自玻璃相中的锰。充能时加热样品会进一步改变被填充的陷阱种类以及其空出的速率。在较高温度下，纳米晶体中的深陷阱更易被填充，持久发光由橙色转为绿色并持续时间更长。颜色甚至会在几秒钟内随着载流子从浅陷阱逐渐泄漏到深陷阱而发生时间相关的色彩“褪变”。

在严苛条件下的强度与稳定性

与许多发光塑料或钙钛矿晶体不同，这种玻璃陶瓷被设计为能承受苛刻使用。它保持高度透明，同时其硬度约为9至11吉帕，相较于常见透明玻璃陶瓷显著更高，这部分得益于铝对玻璃网络的强化作用。该材料还表现出显著的热稳定性：其即时发光及余辉强度在约100°C下保持强劲，甚至略有提高，并在反复加热和冷却循环后保持稳定。这种光学可调性、机械韧性与热可靠性的组合使其适用于实际设备和苛刻环境。

发光编码与隐秘信息

为了展示材料的能力，团队使用掩膜、激光和局部加热在玻璃内部或表面制作了有图案的图像——叶子、鹰、茎等。同一图案在不同激发波长或温度场下可以显示不同的隐藏信息：在室温下呈橙色的设计加热后可变为绿色，或在不同紫外灯照射下在绿色与黄橙间切换。由于玻璃是透明的，三维图案可以写入体积内部，从而实现只有在特定读取条件下才显现的叠层或重叠信息。所有这些都在不混合多种独立发光体的情况下实现；多色行为源自单一固体内经过工程化的内部相与陷阱。

这项工作最终说明了什么

归根结底，该研究证明通过精确控制微小晶体的形成以及缺陷和激活离子在玻璃中的排列，可以构建出一种坚固透明的材料，其余辉颜色与时间特性可被光与热精细调控。这种单块玻璃陶瓷能够存储复杂的多模态光学信息并按需显现，为未来高密度数据存储、防伪特征和先进光学器件提供了有力平台。相同的设计原理很可能可推广到其他多相材料，开启一类更广泛的可编程“记忆光”的智能固体。

引用: Wu, Y., Li, X., Ruan, C. et al. Tough transparent glass ceramics for multi-mode programmable dynamic tunable persistent luminescence via phase engineering. Nat Commun 17, 3267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69202-9

关键词: 持久发光, 玻璃陶瓷, 光学数据存储, 防伪, 纳米晶体