新疆礦石為啥會(huì)發(fā)出“神秘光芒”？

許躍彬 艾爾肯·斯地克 王慶玲 何久洋

新疆不僅有令人心曠神怡的絕美風(fēng)景,更蘊(yùn)藏著大自然賦予的豐富礦物資源。奇妙的是,這些礦物在特定條件下,竟會(huì)發(fā)出神秘而又美麗的光芒,這背后究竟隱藏著怎樣的秘密呢?

讓我們跟隨科研團(tuán)隊(duì)的腳步,一同揭開新疆礦物那獨(dú)特迷人的面紗。

在新疆吐魯番地區(qū)的艾丁湖,其獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造孕育了許多礦物寶藏,其中無水芒硝尤為璀璨。

當(dāng)科研團(tuán)隊(duì)首次在這片湖畔發(fā)現(xiàn)這種礦物時(shí),它便綻放出微弱的光芒。通過對樣本深入的研究,他們發(fā)現(xiàn)艾丁湖無水芒硝的發(fā)光,與其中的稀土離子激活劑息息相關(guān)。

在特定波長的光照下,無水芒硝中的電子宛如被激活的精靈,躍遷到高能級的激發(fā)態(tài),隨后又回到基態(tài),釋放出獨(dú)特的光譜信號,這便是礦物發(fā)光的基本原理。簡單來說,這是礦物在受到外界輻射的時(shí)候吸收能量,通過發(fā)光的形式釋放能量的過程。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)稀土離子如Ce3+、Sm3+和Tm3+等摻雜入無水芒硝的晶體結(jié)構(gòu)中時(shí),它們會(huì)在晶體內(nèi)部構(gòu)建起一個(gè)個(gè)發(fā)光中心,在光的激發(fā)下,能夠發(fā)出五彩斑斕的光芒。

而在新疆天山南麓的拜城地區(qū),天然方鈉石礦脈猶如鑲嵌在大地母親的懷抱中的明珠。在紫外光的照射下,方鈉石散發(fā)出迷人的橙紅色熒光,令人嘆為觀止。

這些橙紅色熒光是怎么發(fā)出的?經(jīng)過科研團(tuán)隊(duì)不懈的努力,終于揭開了這一奇妙現(xiàn)象背后的秘密。

原來,方鈉石中的硫離子巧妙地替代了部分氯離子,從而在晶體中產(chǎn)生了空位以平衡電價(jià)。當(dāng)紫外光照射這些空位時(shí),電子便活躍起來,被激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)。當(dāng)照射停止后,一部分電子則被空位捕獲,形成了色心,由于這些色心并不穩(wěn)定,因此所激發(fā)的顏色也會(huì)隨著時(shí)間的流逝而悄然變化。

在研究過程中,科研團(tuán)隊(duì)還驚喜地發(fā)現(xiàn),部分摻雜了特殊稀土離子的天然礦物還展現(xiàn)出了神奇的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性。當(dāng)它們被近紅外光激發(fā)時(shí),會(huì)吸收低能量的光子,并通過一系列反斯托克斯過程,釋放出高能量的可見光。

更為神奇的是,這些礦物的發(fā)光強(qiáng)度和光譜特性會(huì)隨著溫度而發(fā)生變化。它們仿佛擁有了感知溫度的能力,為生產(chǎn)和研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。通過巧妙地調(diào)控天然礦物的結(jié)構(gòu)和成分,可以對發(fā)光中心進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)對其發(fā)光顏色和強(qiáng)度的有效控制。這一重大發(fā)現(xiàn)為制備高性能的LED提供了全新的思路。

近年來,科研團(tuán)隊(duì)將目光聚焦于新疆各種各樣的硅酸鹽礦物,如以高熱穩(wěn)定性長石為代表的架狀硅酸鹽礦物。通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,揭示硅酸鹽礦石內(nèi)硫發(fā)光中心的能帶結(jié)構(gòu)、能量傳遞及發(fā)光機(jī)理。在硅酸鹽中成功引入硫發(fā)光中心后,猶如打開了新世界的大門,發(fā)現(xiàn)其在白光LED應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

通過優(yōu)化礦物的晶體結(jié)構(gòu)和摻雜稀土離子,科研團(tuán)隊(duì)制備出的發(fā)光材料能夠發(fā)出顯色指數(shù)高且接近自然光的白光,為解決傳統(tǒng)白光LED顯色指數(shù)不足、色溫調(diào)節(jié)困難等問題提供了新的思路。

想象一下,在未來的顯示屏若能利用新疆礦物的發(fā)光原理,將呈現(xiàn)出更加鮮艷、逼真的色彩,為我們帶來前所未有的視覺體驗(yàn)。

隨著科技的快速發(fā)展,礦物發(fā)光得到更廣泛的關(guān)注,新疆礦物的研究之旅,是一場探索自然奧秘、追逐科技進(jìn)步的征程。它不僅讓我們看到了新疆礦物的無限潛力和價(jià)值,更為眾多領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的希望和機(jī)遇。

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新疆發(fā)光礦物與光功能材料研究自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室****簡介:

該實(shí)驗(yàn)室依托新疆師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,是全疆唯一長期專注于天然礦物發(fā)光及特性研究、光電功能的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室總占地面積約1300平米,配備先進(jìn)儀器設(shè)備140余臺,總價(jià)值約1600萬元。實(shí)驗(yàn)室服務(wù)新疆“十大產(chǎn)業(yè)集群”產(chǎn)業(yè)中的新能源新材料、綠色礦業(yè)產(chǎn)業(yè)集群,是全疆唯一長期從事天然礦物發(fā)光及特性研究、光電功能的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。圍繞自治區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源綜合利用展開基礎(chǔ)研究工作,為加快新疆及鄰區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源開發(fā)和轉(zhuǎn)化提供導(dǎo)向與支撐。實(shí)驗(yàn)室開展基于新疆特色礦產(chǎn)資源的光功能材料、復(fù)合光功能材料等基本科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)研究,運(yùn)用發(fā)光學(xué)和光譜學(xué)的基本理論和研究方法,結(jié)合新材料、新應(yīng)用、新技術(shù)與新需求,探索性能優(yōu)異的可用于照明、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域光功能材料。目前,實(shí)驗(yàn)室已在天然礦物材料的發(fā)光特性研究(特色方向)、復(fù)合光功能材料的開發(fā)及應(yīng)用(重點(diǎn)方向)、材料微結(jié)構(gòu)及發(fā)光動(dòng)力學(xué)研究(技術(shù)與理論支撐方向)三個(gè)研究方向形成了自己的研究特色。實(shí)驗(yàn)室三個(gè)研究方向支撐物理學(xué)一級學(xué)科下的光學(xué)、理論物理和凝聚態(tài)物理三個(gè)二級碩士學(xué)位點(diǎn)以及化學(xué)一級學(xué)科博士點(diǎn)下的物理化學(xué)二級博士學(xué)位點(diǎn)建設(shè)。