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我国学者在低氧稀土钢研究领域取得进展

在国家自然科学基金项目（批准号：52031013、U1708252、51725103）等资助下，中国科学院金属研究所李殿中研究员率领其团队与所内相关课题组合作，在低氧稀土钢研究领域取得进展。相关研究成果以“低氧稀土钢（Low-oxygen Rare Earth Steels）”为题，于2022 年9 月8 日在《自然·材料》（Nature Materials）上在线发表。

国内外大量研究表明，在钢中添加微量的稀土即可显著提高钢的韧塑性、耐磨、耐热、耐蚀等性能。然而，由于稀土金属极为活泼，在其电解制备时容易形成大尺寸稀土氧化物，这些稀土氧化物随稀土金属或合金加入钢液中，带入的大尺寸稀土夹杂物难以上浮去除，从而导致稀土钢性能波动并与耐火材料反应堵塞浇口。

该工作利用自主发明的夹杂物萃取三维表征技术，分析了稀土GCr15 轴承钢和进口某轴承钢中的夹杂物形貌，发现在三维尺度上进口轴承钢中以氧化铝和大尺寸硫化锰夹杂物为主，而稀土轴承钢中夹杂物主要是细小的球状稀土氧硫化物。与氧化铝夹杂物相比，稀土氧硫化物在疲劳加载过程中可以发生塑性变形，引发夹杂物周围应力集中显著减小，有效延缓疲劳裂纹的萌生。基于上述发现，研究人员阐明了氧的关键作用，开发了钢液低氧和稀土金属低氧的控制技术（“双低氧稀土钢”技术），有效解决了稀土钢工业应用中的瓶颈问题。研究表明，在高纯净度的GCr15 轴承钢中应用后，与不加稀土的轴承钢相比，稀土轴承钢±800 MPa 拉压疲劳寿命提升了40 倍，滚动接触疲劳寿命提升了40%，而添加现有商业稀土金属（稀土金属中氧含量为270 ppm）的对比样品疲劳寿命出现明显波动。同时研究人员利用计算和表征证实了钢中存在一定数量的固溶稀土，固溶的稀土能够显著降低钢中碳的扩散系数，为通过调控碳扩散优化钢的显微组织和力学性能提供了新途径。

该工作揭示了稀土在钢中的关键作用机制，即控制夹杂物和稀土固溶，制备出性能优越、稳定的低氧稀土钢，吨钢只需添加百余克的镧铈轻稀土，即可在成本基本不增加、工艺流程基本不变的条件下显著提升钢的性能，对于发挥我国稀土资源优势，平衡稀土资源利用，提升优特钢的品质具有重要意义。

（国家自然科学基金委员会）

Angew.Chem.：激光器调节让上转换荧光调控更便捷

荧光寿命不仅可以反映发光动力学过程，也可以作为独特的光学特征维度用于荧光编码、光学防伪、生物成像及分子/病毒检测等，因此对其调控方法及潜在机理的研究具有重要意义。目前已有的研究多通过控制掺杂浓度、颗粒尺寸、特殊核壳结构等化学方法进行稀土离子上转换荧光寿命调控，即内参法。然而，对于控制激发光（脉冲宽度、功率）来实现颗粒内部能量状态及荧光寿命的变化还没有研究，也因此，对激发与衰减动力学关系及其对瞬态发光影响的研究还是空白。

近日，南京工业大学、新疆大学黄岭教授与南开大学宋峰教授合作仅通过控制激发光源参数，即外参法，就在同一个纳米颗粒上实现了超20 倍的荧光寿命调节，并且首次观察到红⇔绿双向可调节的瞬态发光。

在稀土发光材料内部，敏化剂离子吸收的激发光能量可以通过能量传递直接作用于激活剂离子发光，也可通过多步能量迁移作用于远离初始激发位的激活剂离子发光。这两种不同的过程所产生的微小的时间差使得每一个稀土离子的激发与发射都不同步，因此稀土材料的发光实际上是所有稀土离子在某一特定时间发光的统计结果。而能量迁移与能量传递过程对激发光脉宽与功率的不同响应将导致激活剂离子不同的激发与衰减动力学，并最终导致可被激发光调节的瞬态发光光谱与瞬态发光颜色。实验结果表明，通过改变激发光脉宽可使Er3+在540 nm 处的荧光寿命从26.8 微秒调节的536.3 微秒，而红绿光强度比可以从0.26 变化到18.15。进一步研究证实，激发调制荧光寿命的现象普遍存在于尺寸大于20 nm 以上材料中。

该团队通过调控激发光脉宽实现了同一颗粒NaLuF4:Yb/Er 红⇔绿双向可调节的瞬态发光。这是基于上转换发光动态过程调控，既可使NaLuF4:Yb/Er 的绿光荧光寿命长于红光寿命，也可短于红光寿命，因此在短脉宽激发后颗粒发光颜色从绿向红变化，而长脉宽激发后发光颜色从红向绿变化。

该工作研究了稀土离子的荧光寿命“动态”响应的内在机理，证实了激发（上升沿）与发射（下降沿）之间的内在关联，首次在仅改变激发光的条件下实现超20 倍荧光寿命调控，基本界定了荧光寿命与激发脉宽、功率及自身尺寸的关系，填补了目前该领域的研究空白。该研究成果提供了不依赖于繁冗的材料化学设计与合成实现荧光寿命与发光颜色大幅度调控的方法，为理解稀土掺杂上转换发光材料的荧光寿命和发光动力学过程提供了新视角，也为与荧光寿命相关的激光产生、快速成像、传感等应用提供了新启示。

这一成果近期发表在《Angewandte Chemie -International Edition》 上，文章的第一作者是韩迎东博士和高潮博士，通讯作者为宋峰教授和黄岭教授。

上转换纳米颗粒在短（a,b,c）、长（d,e,f）脉宽激发下的能量传输机理及时域响应曲线