一種新型玻璃，有望讓手機告別碎屏
圖片來源@視覺中國
文 | 學術頭條，作者 | 郝景，編輯 | 寇建超
手機掉在地上，啪一聲，屏幕就碎了。
這時的你，腦袋里或許有一萬個后悔，“我為啥沒有買碎屏險？”
（哦，多么痛的領悟～）
在信息化時代，我們已經離不開電子產品，尤其是手機，更是人人必備。
但在日常生活中，“手機碎屏”這種糟心事件，常有發生。包括你的大多數人，肯定想過這樣一個問題：
有沒有一種摔不碎、性能還很好的手機屏幕？
近日，來自澳大利亞昆士蘭大學、英國劍橋大學、利茲大學的研究團隊及其合作者，聯合制備了一種基于金屬有機框架（MOF）玻璃和全無機鈣鈦礦復合材料，該復合材料在水、有機溶劑、光、熱和空氣環境下表現出很高的穩定性，其光致發光性能比純的鈣鈦礦大兩個數量級。
研究人員表示，這種材料不僅可以為手機等電子產品提供令人驚嘆的畫質，而且具有非常高的強度。
（來源：Science）
相關研究論文以“Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses”為題，發表在權威期刊 Science 上。
前輩們的“美中不足”
隨著科技的發展，不論是手機屏幕還是其他電子產品的顯示器，都在不斷地更新換代，從上個世紀的黑白電視，到如今的液晶顯示屏、OLED 顯示屏等，更清晰、更堅固的特點，已經成為人們對電子產品屏幕的首要追求之一。
但是，目前主流的用于制作屏幕的鈣鈦礦材料仍然存在穩定性差、有毒性、對水分、熱等很多因素的敏感問題。因此，為解決這一系列問題，科學家們對鈣鈦礦材料進行了許多探索。
當前，量子點發光二極管（QLED）屏幕被認為是當前圖像顯示和性能的佼佼者。其中，量子點是指“納米級別的小型球狀半導體粒子”，也被稱為納米半導體粒子或納米晶體，這種材料在受到光或者電刺激時，能夠改變光源的顏色，從而發出有色光。
簡而言之，量子點實際上就是一種能在光或電的作用下會發光變色的顆粒物。因此，量子點可以用于固態照明、信息顯示（屏幕）等方面。
而具有可調諧的帶隙、高電荷載流子遷移率和明亮的窄帶光致發光（PL）的鹵化鉛鈣鈦礦（LHP），則是制作量子點的一種材料。但這種材料仍存在三個致命的問題：
1）穩定性差：其對光、水分、氧氣、熱等比較敏感，即使是空氣中的水分也會使材料失效；
2）易離解：無法在極性溶劑中長期存在；
3）有毒性：鉛基鈣鈦礦材料在廢棄之后，會對人體的神經系統、心血管系統、骨骼系統造成損害，進入人體之后也很難排出。
一次“破冰行動”
為解決以上問題，研究人員研發出了一種將納米晶體包裹或結合在多孔晶體材料（MOF）中的工藝。
他們將結晶 LHPs 和沸石咪唑鹽框架（ZIF，多孔晶體材料，MOF 材料的一種）玻璃基質通過液相燒結制備了一種全新的鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料。
這種復合材料具有良好的力學性能，研究人員對 ZIF 材料和鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料所做的納米壓痕測試表明，復合材料的硬度可以達到 340 MPa（1MPa=10Kg）左右。相比于純的 ZIF 多孔晶體材料，復合材料的硬度提升了 25% 左右。如果這種材料作為電子產品的屏幕，其屏幕破碎的風險大大降低。（再也不用害怕手機摔碎屏幕了）
圖｜對玻璃進行納米壓痕實驗，得到（A）純多孔晶體材料和（B） 鉛鹵素鈣鈦礦納米晶體復合材料的加載-卸載曲線。兩個樣品均在 300 ℃ 下燒結。（來源：Science）
對于這種復合材料，研究人員表示：“我們不僅可以使這些納米晶體更加堅固，而且我們可以調整它們的光電子特性，具有出色的光發射效率和非常理想的白光 LED。這一發現為能源轉換和催化新一代納米晶體玻璃復合材料開辟了新的道路。”
在實驗中，研究人員通過微觀測量驗證了鹵化鉛鈣鈦礦納米晶作為發光源的可行性。
研究結果表明，鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體的環空暗場掃描透射電子顯微鏡（ADF-STEM）顯示了兩相之間有明顯的原子數對比。通過掃描電子衍射（SED）鑒定了晶態和非晶態區域，其中顯示了與 CsPbI3?晶體相對應的布拉格衍射區域。
圖｜300 ℃ 燒結制備的鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料的相分布：(A) ADF-STEM 圖像，(B) SED-STEM 映射，(C) 鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料的鹵化鉛鈣鈦礦晶體相分類結果。（來源：該論文及其補充材料）
除此之外，該復合材料具有更長的壽命，研究人員在不同的環境中對該復合材料進行了評估。
在復合材料中，由于 ZIF 多孔晶體材料的剛性和疏水性為鹵化鉛鈣鈦礦材料提供了保護，所以，在各種非極性、極性質子和極性非質子有機溶劑中延長（約 20 小時）超聲處理后，復合材料仍具有穩定的 PL 發射。
圖｜復合材料對有機溶劑的穩定性。（A）鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料在不同有機溶劑中超聲約 20 h?后，在 365 nm 紫外光下相對發光強度的變化和（B）光學照片。
不僅如此，該復合材料在水中浸泡 10000 小時、在環境條件下儲存 650 天、溫和加熱和連續激光激發＞500 s 后，仍保持 80% 的光致發光，具有良好的應用前景。
此外，由鹵化鉛鈣鈦礦材料（CsPbX3：X = Cl、Br和混合鹵化物離子）和 ZIF 多孔晶體材料組成的復合材料陣列顯示出較寬的色域和較窄的發光峰。對于所有鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料，無論是合成的還是經過相同燒結處理的鹵化鉛鈣鈦礦樣品，其絕對發光強度至少比相應的純鹵化鉛鈣鈦礦樣品高兩個數量級。
以上這些特性，加上高可加工性，使這些單片材料成為降檔白光 LED 的理想候選材料。
圖｜復合材料的穩定性和光學性能。（A）鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體在 Milli-Q 水中的相對發光強度變化。（B）鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體復合材料的歸一化PL強度。（C 和 D）復合材料和純鹵化物鈣鈦礦材料在 3365 nm 紫外光下的光學照片。（來源：該論文）
可以說，這種新型的可加工復合材料在水、有機溶劑、熱、光、空氣、環境濕度下具有很高的穩定性，在 LHP 的應用領域取得了突破性的進展。
相信在不久的將來，這些材料可以大大降低我們的手機屏幕摔碎的風險，也可以為我們帶來更極致的視覺體驗。
參考資料：
- https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf4460
- https://www.sciencedaily.com/releases/2021/10/211028143734.htm
- https://www.uq.edu.au/news/article/2021/10/uq-research-unlocks-technology-produce-unbreakable-screens
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