开发能在恶劣环境下保持高性能的柔性辐射探测器仍是材料科学领域的重大挑战。传统柔性闪烁体往往需要牺牲性能或稳定性。

为解决这一难题，该研究利用强Al-O-Si共价键设计开发出具有蛾眼仿生结构的SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺@SiO₂（SOD@SiO₂）复合材料，并通过可规模化生产的电纺丝工艺制作出柔性透明的薄膜。该薄膜展现出卓越的耐酸、碱腐蚀能力，并能适应复杂三维表面。测试结果表明：其具有99.80%的X射线屏蔽率（等效0.35mm铅当量），可实现0.43 μGy/s级低剂量率X射线的超灵敏检测，成像分辨率达9.6 lp/mm，并能提供持续20小时的可视化辐射预警。这种多功能集成特性使其成为开发新一代轻质辐射防护材料的理想平台，为核电站监测、医疗放射防护和应急救援装备提供了创新解决方案。

近日，扬州大学化学与材料学院田甜团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Moth-Eye-Engineered Flexible Films for X-Ray Shielding and Persistent Radiation Warning”的研究论文，报道了一种以具有蛾眼仿生结构的SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺@SiO₂（SOD@SiO₂）复合材料为基底的柔性透明的薄膜。该薄膜展现出卓越的耐酸、碱腐蚀能力，并能适应复杂三维表面，其具有99.80%的X射线屏蔽率，可实现0.43 μGy/s级低剂量率X射线的超灵敏检测，成像分辨率达9.6 lp/mm，并能提供持续20小时的可视化辐射预警，成为开发新一代轻质辐射防护材料的理想平台，为核电站监测、医疗放射防护和应急救援装备提供了创新解决方案。

图1：SOD@SiO₂复合材料的设计合成与发光增强机理

受到蛾眼结构的启发，研究团队开发了一种新型复合材料。研究人员在SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺（SOD）荧光粉表面均匀包覆二氧化硅纳米球，形成了具有独特的“蛾眼工程化”结构的复合材料SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺@SiO₂（SOD@SiO₂）。这种设计巧妙解决了传统材料面临的性能不足难题：

（1）坚固的Al-O-Si共价键赋予材料优异的稳定性的同时增加了SOD中的氧空位的浓度；

（2）二氧化硅涂层在SOD表面形成了梯度折射率界面,显著提高了光捕获能力。二者协同作用，使光致发光强度增强了四倍。

图2：SOD@SiO2薄膜的制备与性能表征

研究团队通过静电纺丝技术将得到的SOD@SiO2粉末与PMMA、TPU树脂结合，加入TTMAP交联剂促进纤维交联制得了大面积柔性薄膜。该薄膜有着高达94.55%的透过率，表面粗糙度仅有0.638nm，其次所选树脂的折射率与SiO2相匹配，这将最大限度地消除界面散射的光损耗。薄膜还有着高达47.03MPa的弹性模量，可承载2kg的负载，经1000次的弯曲测试后仍保持稳定。该薄膜不仅具备卓越的光学性能和机械强度，更以每平方厘米0.0033美元的低成本可实现规模化生产，为柔性电子设备发展带来全新突破，为下一代电子设备发展提供关键材料支持。

图3：SOD@SiO2薄膜的光致发光性能和环境稳定性

研究显示，SOD@SiO2薄膜在515nm处呈现明亮发光，具有152nm的超大斯托克斯位移。最令人瞩目的是，其量子产率高达54.50%，比未包覆的SOD材料提升80%。该薄膜的发光强度与普通SOD薄膜相比提高了4倍，这主要得益于SiO2包覆有效减少了光散射损失。实验证实，经过交联和SiO2涂层处理后，材料的漫反射率显著降低，光子捕获效率大幅提升。

研究人员通过时间分辨光致发光测试发现，该薄膜具有显著的衰减动力学延迟特性。在实际演示中，"扬州大学"标识在激发后能够清晰可见长达20小时，展现出卓越的激发存储能力。同时，薄膜表现出优异的稳定性，在常温储存720小时后，仍保持84.4%的初始发光强度，当紫外加速老化84小时后，强度仅损失9.2%。更值得注意的是，在pH 0.7的强酸和pH 12.3的强碱环境中浸泡16小时，发光强度皆保持91%以上，在pH 0.7的环境中余辉发光仍可持续18小时。

该材料的突破性性能为其在多个领域的应用开辟了道路：

(1) 应急救援：救生圈、救生衣等装备在恶劣环境下保持明亮可见。

(2) 智能显示：激光雕刻发光二维码实现10小时以上自主可视，为低能耗智能显示提供新可能。

(3) 特殊环境：在强酸强碱等极端条件下稳定工作。这一突破性技术不仅展现了我国在发光材料领域的研发实力，更为相关产业发展提供了重要技术支撑。

图4：SOD@SiO2薄膜的X射线激发发光、屏蔽性能和应用示意

研究团队通过创新的"蛾眼工程化"设计，使SOD@SiO2粉末的辐射发光强度实现质的飞跃。实验数据显示，该材料的光产额达到50752 photons/MeV，比未包覆SOD提升90.66%，性能堪比商用CsI(Tl)闪烁体。更令人惊叹的是，其对X射线剂量率的检测灵敏度显著提高，最低检测限降至0.43μGy/s，远超5.5μGy/s的临床诊断阈值要求。这意味着即使是最微弱的辐射泄漏，也逃不过这种材料的检测。

除了卓越的检测能力，这种薄膜在屏蔽性能方面同样出色。厚度仅2.92mm的薄膜就能实现99.80%的X射线屏蔽效率，效果相当于0.35mm厚的铅板。与传统铅基材料相比，这种新材料具有明显优势：重量轻、可弯曲、无毒性，弯曲半径小于0.5mm，为穿戴者提供了前所未有的舒适性和灵活性。这种材料的创新之处在于其独特的工作原理。均匀分布的SOD@SiO2粉末既能有效吸收X射线，又能将吸收的能量转化为绿色持久发光，实现屏蔽与预警的完美结合。这项技术的问世，标志着辐射防护从“被动防御”向“主动预警”的重大转变。相比传统防护材料，这种新型薄膜不仅解决了重量和毒性问题，更实现了功能的智能化升级，预计将在医疗、工业、国防等多个领域产生深远影响，为高风险行业的安全保障提供有力支撑。

图5：SOD@SiO2薄膜的X射线警示、柔性成像屏幕和3D重建可视化系统。

传统辐射防护最大的痛点在于“看不见危险”。而SOD@SiO2薄膜完美解决这一难题——当受到X射线照射时，薄膜会自动发出明亮的绿色余辉，持续时间长达20小时，且完全无需外部电源支持。这一特性在应急场景中尤为重要。无论是医疗机构的意外辐射泄漏，还是工业现场的检测事故，工作人员都能通过肉眼直接感知风险，为及时避险争取宝贵时间。实验显示，其成像分辨率高达9.6 lp/mm，远超便携式X光胸透系统3.0 lp/mm的要求标准。在实际测试中，无论是复杂的海贝壳内部结构，还是弹簧胶囊的精密构造，都能被清晰捕捉。薄膜的柔性特性使其能够完美贴合曲面物体，消除传统刚性屏幕导致的几何畸变和边缘模糊问题。

这项技术的另一大亮点是延迟成像能力。即使在X射线源关闭后，薄膜仍能保持高清放射图像达4小时之久。这一突破对于时间敏感的诊断应用意义重大。医生可以获得更宽松的图像读取时间窗口，尤其在急诊等高压环境下，大大提升了诊断的准确性和可靠性。传统刚性闪烁体在曲面成像时会出现严重的渐晕效应，导致图像失真。而SOD@SiO2薄膜通过其卓越的柔性，能够有效地解决这一难题。以字母“Z”和“U”的成像为例，在115度和140度弯曲条件下，薄膜仍能保持均匀的灰度分布，完整呈现细节特征。这为复杂形状物体的无损检测开辟了新可能。

基于此项技术，研究团队开发出全新的3D图像重建系统。该系统集成了三大核心技术：高性能薄膜探测器、3D重建算法和无线数据传输。通过配合X射线成像机器人，系统能够自动获取隐蔽物体的结构数据，实现远程无人化操作。这不仅避免了人员暴露在辐射风险中，更大大提升了检测效率和精度。该研究不仅能够有效解决辐射防护领域的核心痛点，更开创了“智能预警+精准成像+远程操作”的新模式。这将为人类安全和科技进步贡献中国智慧。

综上所述，该团队利用强Al-O-Si共价键设计开发出具有蛾眼仿生结构的SrAl2O4:Eu2+,Dy3+@SiO2（SOD@SiO2）复合材料，并通过可规模化生产的电纺丝工艺制作出柔性透明的薄膜。该薄膜展现出卓越的耐酸、碱腐蚀能力以及低成本优势，并能适应复杂三维表面。这种薄膜兼具99.80%的X射线屏蔽效率（等效0.35毫米铅板）、0.43μGy/s的超高检测灵敏度以及20小时持续自发光预警功能，其成像分辨率更达到9.6 lp/mm，可精准贴合曲面物体进行无损检测，实现了辐射防护领域的重大突破。研究团队还开发出集成3D成像系统的机器人检测平台，通过无线数据传输实现远程自动化作业，为医疗诊断、工业检测及核应急等领域提供了革命性的解决方案。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202514035

Yuansheng Jiang#, Wen-Guang Li#, Xiuji Yi, Meifang Yang, Xinyi Lin, Yaxun Hu, Yicheng Yuan, Qiang Ma, Yuping Li, Fengyun Wang, Qin Xu, Wenjing Zhang, Yu-Xin Chen*, Tian Tian*, Huan Pang*

通讯作者：田甜（扬州大学）

作者：姜远胜#, 李文广#, 仪修佶, 杨梅芳, 林欣怡, 胡亚勋, 袁一程, 马强, 李育平, 王凤云, 徐琴, 张文静, 陈钰欣*, 田甜*, 庞欢*

通讯作者简介：

田甜，扬州大学特聘教授，2020年毕业于上海理工大学/丹麦技术大学联合培养博士，2020年-2023年，中山大学化学学院博士后。近年来，围绕新能源柔性发光材料性能与器件的制备和应用开展了一系列的前沿研究，并在该领域取得过多项原创性研究成果，目前以第一作者/通讯作者在Science Advances, Nature Communications （4篇）, Nature Sustainability，Advanced Materials 和Angewandte Chemie International Edition等学术期刊上发表论文20篇，主持国家自然科学基金青年等项目5项，授权发明专利5项目，实用新型专利1项。