荧光材料发光的奥秘

莫尊理 杨丽婷

马路执勤的交警所穿的黄色荧光服，在夜晚尤其显眼。那么荧光服为什么会有荧光，其中有什么奥秘？这还要从夜明珠说起。

作为古代稀有珠宝，夜明珠只有少数富足之家能够收藏，据说慈禧为了显示身份贵极天下，口含夜明珠入葬。在古代，人们知识欠缺，并不知道夜明珠为什么在夜晚会发出如此神秘而又美丽的光，而仅仅把它作照明之用。

直到近代，人们才真正清楚极富神秘色彩的夜明珠在夜晚发光的原理，这引发了荧光材料的研发，为当今社会带来了巨大的商业和产业变革，其中最具代表性的就是稀土荧光材料在许多领域显示出巨大的应用空间，如荧光涂层、城市照明、舞台效果、医疗检测、环境监测。

如今看来，夜明珠实际上就是化学家眼中的萤石（主要成分为氟化钙CaF2）。研究发现，萤石是一种天然发光矿石，白天不发光，而在夜晚发出耀眼的光芒，是因为它在自然界结晶的时候，会有少量的稀土元素掺杂其中，形成发光中心而产生荧光，从而呈现出绿色、蓝色、紫色等。这些萤石还有一个特点，就是随着温度的升高，在能量的激发下可发光的稀土元素能产生更强的光。自然界中水母、萤火虫等生物也发光，是因为它们体内存在荧光蛋白等一系列发光物质。

稀土元素是元素周期表中位于第三副族中的钪、钇，以及镧系元素中的镧、铈、镨、钕等 17 种元素的总称。稀土元素其实并不稀有，甚至比一些贵重金属在地球的丰度还要高一些。稀土元素独特的微观能级结构，即独特的电子亚层结构，在发生超灵敏跃迁时会有较为明显的荧光性能，以及其他的电磁光性能。

稀土材料在高新技术产业领域有着广阔的应用前景。荧光涂层在很多行业都有应用，在防伪标识、交通标志、生物医药领域有独特的应用价值。在一些标识表面涂上特殊的荧光涂层，用普通光源照射不会显示图案，而在254纳米的紫外灯的照射下，就会有相应的图案显现出来。纸币防伪标识就是用的这个原理。

荧光材料还可以用来做金属腐蚀预警，对荧光物质进行改进，然后进行金属表面涂敷。当金属受到腐蚀的时候，荧光物质对特定的酸碱度或腐蚀体的化学变化做出荧光响应，就能起到一定的预警作用，这就是荧光探针。

对人们生活产生巨大变化的荧光应用是照明灯具。传统的照明灯基本是汞灯，这种灯具有实用的特点，但是使用寿命短，直到出现三基色荧光灯才解决了这一问题。三基色荧光灯在通电后激发离子汞辐射出紫外光，紫外光与三色荧光粉混合后就会形成白光。20世纪90年代，日本首先实现了钇铝石榴石发光体系民用系统，开启了发光二极管时代，它的优点是发黄光的钇铝石榴石荧光粉配以发蓝光的二极管就可发白光，实现了节能的目的，产生了真正意义上的冷光源灯。

我国蕴含着丰富的稀土资源，如何提高这些稀土资源的利用率，让这些资源合理利用并尽可能回收，是科学研究急需解决的问题。

（鲁言摘自《科普时报》2022年11月4日 圖/槿喑）