科教融合系列：电致变色材料：让你的生活变得“些许不同”

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五彩缤纷的自然界给地球带来了生机，色彩也给我们传递了这个世界的各种信息。自然界中有些材料对光有着不同的响应，它们的反射、透射和吸收等行为宏观上决定了材料的外在状态。有些材料在不同外界刺激的作用下，对光的行为会产生不同的“回应”，这些反射、透射、吸收在外界刺激前后的不同行为就产生一种神奇的现象——变色现象。这些材料的颜色在受到光、电、压力、温度等物理因素作用下发生变化，在不同领域有着广泛的应用。当施加在某些材料上的电信号发生变化时，这些材料的透过率和光学吸收随着电信号的改变而发生变化，使材料呈现出不同的颜色，这就是我们今天的“主角”——电致变色材料。

电致变色材料最早在上世纪六十年代被发现，科学家们发现WO3薄膜在不同的电压下会发生浅色和深色之间的可逆变化，由此电致变色材料开始进入了科学家们的视野。到目前科学家们已经发现了包括无机电致变色材料和有机电致变色材料在内的多种材料体系，展现出了丰富的变色范围。这些材料在不同电压作用下会处于不同的氧化还原态，分子的组成、构型以及掺杂状态会发生变化，这就导致呈现出不同的光学吸收，在不同颜色之间发生可逆变化。科学家们将电致变色材料和不同的功能层结合制成具有不同功能的电致变色器件，它们的使用已经广泛的融入到我们的生活中，为我们的生活带来诸多便利。

电致变色窗——创造可持续的建筑环境

节能减排、低碳环保一直是人与自然和谐相处的必然要求之一，随着人类工业的发展，各式各样建筑都需要源源不断的能源供应。人们为建筑物的窗户配上了各式各样的窗帘来达到调节光线、改善室内环境的需求。但是传统的窗户不具备可调性，难以满足节能减排、低碳经济的需求，电致变色窗很好的为我们解决了这一点。科学家们将电致变色材料制成电致变色玻璃，再为其安装电控装置，大大减少了建筑物的能量负荷，起到了调节室内光线的目的。当外界太阳光较为强烈、辐射较大时，我们可以通过调节让窗户处于“着色”状态，控制太阳光的进入，调节室内光线和温度的变化；当阴天外界光线较弱时，可以让窗户处于“褪色”状态，从而减少建筑物温控系统消耗的能量。这就使得这个“智能窗”成为一个“空调”，相关研究表明，装有这种装置的建筑物可以节约44%-59%的能源，有效的调节室内光线和温度的变化。

使用在建筑物上的电致变色窗   图片来源：biying.com

这类电致变色窗不仅可以用在民用建筑上，同时也可以用在飞机、汽车上起到调节光线和温度的目的，人们可以根据自身需求进行调节，带来舒适的体验。

使用在飞机上的电致变色窗   图片来源：biying.com

科学家们将这些电致变色材料和表面等离激元相结合，使得电致变色窗有着更加丰富和实用的功能。表面等离激元共振可以实现可见光-近红外的吸收，将可以用于激发表面等离激元共振的材料和电致变色材料结合制成的电致变色窗，相比于传统电致变色窗有着更好的光热转换效率。科学家们使用WO3和金纳米粒子结合，经过科学研究表明，这类电致变色窗除了具有更高的光热转换效率的同时还可以更加有效地抑制细菌生长，为人们的健康保驾护航。

具有抑菌效应和更好光热转换的电致变色窗   图片来源：ACS Nano 2018, 12, 6895-6903

全自动防炫目汽车观后镜——开启安全的驾驶生活

经常驾车的人都知道，司机需要通过观后镜来判断后车的位置从而实现安全驾驶，但是在夜间后方汽车的强光会照射到观后镜上产生令人炫目的反光，这给驾驶人员的安全带来了隐患。在1987年，美国镜泰公司研发出了一款基于电致变色材料的防炫目后视镜，它可以通过后视镜上的光线传感器采集信号，再通过内置电脑计算得出通电的大小，从而控制电致变色材料进行调光，以此来达到防炫目的作用。我们可以看到，普通后视镜在有强光照射的时候会反射大量光线，使司机难以看清后方车况；而防炫目后视镜有效地减小了反射，从而使司机可以准确辨认后方状况，极大的保证了驾驶人员的安全，成为司机朋友们驾驶的好助手，有着广阔的应用市场。

汽车防炫目观后镜   图片来源：biying.com

电致变色显示器——带来节能舒适的视觉体验

电致变色材料可以实现较宽的显色范围，尤其是有机聚合物类电致变色材料，科学家们可以通过对聚合物分子进行修饰可以开发出不同颜色变化的电致变色材料。这些电致变色材料原料来源广、易合成、分子可修饰改性，同时还具有较高的光学对比度，因而有着巨大的应用潜力。

电致变色显示是非发射显示，这就使得即使在强光先也很容易辨别，并且在人们长时间观看后也不易导致视觉疲劳。目前流行的液晶显示具有一定的视角范围，一般在超过45°- 90°的视角时才能看到清晰的画面，电致变色显示则不受此限制。由于电致变色聚合物的驱动电压低（一般在2V以内），也使得电致变色显示器件具有能耗低、安全性好的优点。

图案化电致变色显示   图片来源：biying.com

当电致变色材料和柔性材料结合时，可以制成柔性显示器件。科学家们通过外界电压改变材料的显示，同时在去除电压后，电致变色材料仍然可以保持特定的掺杂状态从而维持原状态不变，根据这个“开路记忆”的特性，我们可以用来存储和读取信息。柔性的电致变色显示器件有着更广泛的应用，它在断电后仍然可以显示图案，比现有的电子阅读器更加节能和环保。

西门子公司的柔性电致变色显示   图片来源：biying.com

单纯的电致变色材料显示也存在一些问题，材料的种类有待于进一步发现，响应时间还需要缩短，使用寿命也有待于进一步提高。因此科学家们通过将电致变色材料和表面等离激元纳米结构相结合，纳米结构作为像素可以将尺寸缩小至微米甚至是纳米量级，克服了环境制约、寿命较短等缺点，实现高分辨。查尔姆斯理工大学的科学家们通过金属-介质-金属的结构实现了红绿蓝三原色反射光谱，通过聚吡咯控制显示的“on”和“off”状态实现动态显示。电致变色材料作为动态可调介质可以将厚度降低至几十纳米，可以实现快速和可逆调制，同时还具有功耗低的特点，在动态显示领域展现出广阔的应用前景。

电致变色材料和等离子体超表面结合的动态反射式显示器  

图片来源：Adv. Mater. 2016, 28, 9956–9960

电致变色材料的发现给我们生活提供了非常大的便利，我们在生活中已经离不开这些丰富的功能材料。与此同时，电致变色材料也面临着诸多挑战，例如丰富颜色种类、缩短响应时间，延长使用寿命等，这就需要我们不断地研究探索。我们相信，随着科学技术的进一步发展，经过科学家们不懈的努力，这些电致变色材料的功能和性能也将进一步完善和提高，为我们的生活提供更多的便利。

南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授供稿。

网址：科教融合系列：电致变色材料：让你的生活变得“些许不同” https://www.yuejiaxmz.com/news/view/178283

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