假幣克星，可用于防偽的稀土發(fā)光材料
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基礎(chǔ)研究—北京市自然科學基金風采
你有過收到假鈔的經(jīng)歷嗎？這樣的遭遇，即使我們不是親身經(jīng)歷，也多少聽周圍人談論過。在商場收銀臺或銀行，看到工作人員用驗鈔機識別鈔票，似乎是再平常不過的事了，便捷安全的背后，“科技”是如何揭穿假幣的面紗？
把一沓一沓人民幣放進熒光驗鈔機，在365nm紫外燈照射下快速清點，遇到假鈔驗鈔機就會發(fā)出警報。原理很簡單，人民幣是采用專用紙張制造的，而假鈔通常采用經(jīng)漂白處理的普通紙，經(jīng)漂白處理的普通紙在紫外線的照射下，會衍射出瑩瑩的藍光，即所謂的“熒光反應”，從而觸動報警系統(tǒng)，甄別出假鈔。這就是利用“光致色反應”進行防偽的一個最典型的應用。
在這一過程中，稀土則扮演了關(guān)鍵的角色。
稀土熒光光譜行為是常被使用的防偽技術(shù)之一，這些技術(shù)不乏被一些高超的造假者掌握，從而迫使防偽技術(shù)不得時時保持最新進展，領(lǐng)先于造假者。所以在多數(shù)情況下，使用一套防偽技術(shù)的同時，還要儲備、研發(fā)一套新的技術(shù)。北京工商大學理學院的孫家躍教授多年來一直從事防偽材料研發(fā)，他先后主持了“f-f與f-d電子躍遷發(fā)射紫外與紅外光致顯色防偽標識材料”等3項北京市自然科學基金資助項目，圍繞不斷提高防偽材料的技術(shù)邃密性，獨占性和抗攻擊能力等方面開展了應用基礎(chǔ)性工作，可謂“魔高一尺，道高一丈”。
日常生活中，我們通常把各種微弱的光亮都稱為“熒光”，很少有人會去仔細追究和區(qū)分各種熒光的發(fā)光原理。“熒光就是一種光致冷發(fā)光現(xiàn)象”，孫家躍教授解釋道，本質(zhì)上就是一種電子躍遷發(fā)射現(xiàn)象。
電子躍遷發(fā)射是組成物質(zhì)的粒子（原子、離子或分子）中電子的一種能量狀態(tài)的變化。根據(jù)能量守恒原理，粒子的外層電子從低能級躍遷到較高能級的過程中會吸收能量；從高能級躍遷回到較低能級則會以熒光的形式把能量釋放出來，熒光的顏色就對應高低兩個能級之間的能量差。
在常溫下，當某種物質(zhì)經(jīng)一種入射光（通常是紫外線或X射線）照射時，它會吸收光能從基態(tài)躍遷進入激發(fā)態(tài)，當物質(zhì)從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，會以熒光的形式把激發(fā)能量釋放出來。而一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之消失。具有這種性質(zhì)的出射光就被稱為“熒光”。當物體受到外界光源照射獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導致發(fā)光的現(xiàn)象就稱為“光致發(fā)光”。
把“光致發(fā)光”用于“鈔票防偽”是一種技術(shù)應用的創(chuàng)新。在所有可以產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)中，最重要的一類就是稀土元素。稀土離子具有未充滿的4f電子組態(tài)，具有豐富的光譜項能級和長壽命的激發(fā)態(tài)，由此可以產(chǎn)生多種多樣的輻射吸收和發(fā)射。而由稀土離子構(gòu)成的稀土化合物，在激發(fā)狀態(tài)下，可以發(fā)射從紅外光、可見光到紫外光區(qū)的各種波長的電磁輻射，使稀土成為一個巨大的發(fā)光寶庫。
“我們就是選用特定的稀土離子作為激活劑，研發(fā)適用于紫外或紅外光激活源的稀土光致發(fā)光與顯色材料。從而尋找到性能穩(wěn)定、亮度高的材料，并合成印刷油墨、確定最佳配比，最終制作防偽標識，應用于實際生產(chǎn)。”孫家躍說。
從用途上來說，光致發(fā)光材料不僅限于防偽標識，還可以用于生產(chǎn)電致發(fā)光材料、LED熒光粉、超長余輝（夜明）材料、太陽能電池輔助材料、紅外上轉(zhuǎn)換材料、電子俘獲材料等等，可謂應用廣泛。中國稀土產(chǎn)業(yè)在世界的資源儲量和產(chǎn)量位居第一，然而，中國約有2/3稀土出口外流，且稀土產(chǎn)品價格長期以來受國外商家控制。
“稀土是我國很重要的礦產(chǎn)資源，過去稀土主要作為原材料出口，尤其是被作為缺乏功能特性的、技術(shù)含量較低的產(chǎn)品的盲目生產(chǎn)，造成我國的稀土產(chǎn)品特質(zhì)化差異較小，這些都對我國稀土資源造成極大的浪費。只有著力開發(fā)具有高技術(shù)含量的稀土功能材料，才會把我國的稀土資源優(yōu)勢變?yōu)樯a(chǎn)優(yōu)勢，把科技優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，富國利民。”孫家躍說。
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