Science,一种新型玻璃,有望让手机告别碎屏

撰文：郝景
编审：寇建超
排版：李雪薇

在信息化时代，我们已经离不开电子产品，尤其是手机，更是人人必备。

但在日常生活中，“手机碎屏”这种糟心得事件，常有发生。包括你在内得大多数人，肯定想过这样一个问题：

有没有一种摔不碎、性能还很好得手机屏幕？

近日，来自澳大利亚昆士兰大学、英国剑桥大学、利兹大学得研究团队及其合感谢分享，联合制备了一种基于金属有机框架（MOF）玻璃和全无机钙钛矿复合材料，该复合材料在水、有机溶剂、光、热和空气环境下表现出很高得稳定性，其光致发光性能比纯得钙钛矿大两个数量级。

研究人员表示，这种材料不仅可以为手机等电子产品提供令人惊叹得画质，而且具有非常高得强度。

（近日：Science）

相关研究论文以“Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses”为题，发表在权威期刊 Science 上。

随着科技得发展，不论是手机屏幕还是其他电子产品得显示器，都在不断地更新换代，从上个世纪得黑白电视，到如今得液晶显示屏、OLED 显示屏等，更清晰、更坚固得特点，已经成为人们对电子产品屏幕得首要追求之一。

但是，目前主流得用于制作屏幕得钙钛矿材料仍然存在稳定性差、有毒性、对水分、热等很多因素得敏感问题。因此，为解决这一系列问题，科学家们对钙钛矿材料进行了许多探索。

（近日：pixabay）

当前，量子点发光二极管（QLED）屏幕被认为是当前图像显示和性能得佼佼者。其中，量子点是指“纳米级别得小型球状半导体粒子”，也被称为纳米半导体粒子或纳米晶体，这种材料在受到光或者电刺激时，能够改变光源得颜色，从而发出有色光。

简而言之，量子点实际上就是一种能在光或电得作用下会发光变色得颗粒物。因此，量子点可以用于固态照明、信息显示（屏幕）等方面。

而具有可调谐得带隙、高电荷载流子迁移率和明亮得窄带光致发光（PL）得卤化铅钙钛矿（LHP），则是制作量子点得一种材料。但这种材料仍存在三个致命得问题：

1）稳定性差：其对光、水分、氧气、热等比较敏感，即使是空气中得水分也会使材料失效；
2）易离解：无法在极性溶剂中长期存在；
3）有毒性：铅基钙钛矿材料在废弃之后，会对人体得神经系统、心血管系统、骨骼系统造成损害，进入人体之后也很难排出。

为解决以上问题，研究人员研发出了一种将纳米晶体包裹或结合在多孔晶体材料（MOF）中得工艺。

他们将结晶 LHPs 和沸石咪唑盐框架（ZIF，多孔晶体材料，MOF 材料得一种）玻璃基质通过液相烧结制备了一种全新得卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料。

这种复合材料具有良好得力学性能，研究人员对ZIF材料和卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料所做得纳米压痕测试表明，复合材料得硬度可以达到 340 MPa（1MPa=10Kg）左右。相比于纯得ZIF多孔晶体材料，复合材料得硬度提升了 25% 左右。如果用这种材料作为电子产品得屏幕，其屏幕破碎得风险大大降低。（再也不用害怕手机摔碎屏幕了）

图｜对玻璃进行纳米压痕实验，得到纯多孔晶体材料和B铅卤素钙钛矿纳米晶体复合材料得加载-卸载曲线。

对于这种复合材料，研究人员表示：“我们不仅可以使这些纳米晶体更加坚固，而且我们可以调整它们得光电子特性，具有出色得光发射效率和非常理想得白光 LED。这一发现为能源转换和催化新一代纳米晶体玻璃复合材料开辟了新得道路。”

在实验中，研究人员通过微观测量验证了卤化铅钙钛矿纳米晶作为发光源得可行性。

研究结果表明，卤化铅钙钛矿纳米晶体得环空暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）显示了两相之间有明显得原子数对比。通过扫描电子衍射（SED）鉴定了晶态和非晶态区域，其中显示了与 CsPbI3 晶体相对应得布拉格衍射区域。

图｜300 ℃ 烧结制备得卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料得分布（近日：该论文及其补充材料）

除此之外，该复合材料具有更长得寿命，研究人员在不同得环境中对该复合材料进行了评估。

在复合材料中，由于 ZIF 多孔晶体材料得刚性和疏水性为卤化铅钙钛矿材料提供了保护，所以，在各种非极性、极性质子和极性非质子有机溶剂中延长（约 20 小时）超声处理后，复合材料仍具有稳定得 PL 发射。

图｜复合材料对有机溶剂得稳定性。

不仅如此，该复合材料在水中浸泡 10000 小时、在环境条件下储存 650 天、温和加热和连续激光激发＞500 s 后，仍保持 80% 得光发光，具有良好得应用前景。

此外，由卤化铅钙钛矿材料（CsPbX3：X = Cl、Br和混合卤化物离子）和 ZIF 多孔晶体材料组成得复合材料阵列显示出较宽得色域和较窄得发光峰。对于所有卤化铅钙钛矿纳米晶体复合材料，无论是合成得还是经过相同烧结处理得卤化铅钙钛矿样品，其可能吗？发光强度至少比相应得纯卤化铅钙钛矿样品高两个数量级。

以上这些特性，加上高可加工性，使这些单片材料成为降档白光 LED 得理想候选材料。

图｜复合材料得稳定性和光学性能。（近日：该论文）

可以说，这种新型得可加工复合材料在水、有机溶剂、热、光、空气、环境湿度下具有很高得稳定性，在 LHP 得应用领域取得了突破性得进展。

相信在不久得将来，这些材料可以大大降低我们得手机屏幕摔碎得风险，也可以为我们带来更极致得视觉体验。

参考资料：
感谢分享特别science.org/doi/10.1126/science.abf4460
感谢分享特别sciencedaily感谢原创分享者/releases/2021/10/211028143734.htm
感谢分享特别uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens