變色材料
關注創建者：金fanfan銀fanfan 創建時間：2018-09-04
變色材料的實例教程
電致變色
近年來，出現了這么一種新型材料——電致變色材料。科學家指出，電致變色材料是目前最有研究和應用前景的智能材料之一。而科學家也曾預言，智能材料的大規模應用將使得材料科學的發展發生革命性變化。那么，這智能材料是怎樣的存在呢？智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料。
為什么科學家會認為電致變色材料是目前最有應用前景的智能材料之一呢？因為電致變色材料具有特殊的性能和誘人的應用前景。這極具應用前途的材料到底有哪些應用？
一般情況下，大家比較經常接觸的是——智能節能窗（智能玻璃）、信息顯示器、汽車防眩目后視鏡、信息儲存器等。
汽車防眩目后視鏡
在國防和軍事領域，電致變色材料也是有著很廣泛的應用市場。例如，電致變色材料因具有紅外發射可調特性（在中遠紅外光譜）可制成新型紅外發射器件。據專家介紹，該種新型發射器可以應用于衛星、武器裝備的紅外隱身等諸多領域。所以，你說電致變色材料這么一塊“香餑餑”怎會不迅速成為各國研究人員們爭相研究的領域呢？
衛星
那么，什么是電致變色材料？電致變色材料是電致變色器件中最核心的材料。該種材料在外加電場的作用下會發生穩定、可逆的顏色變化現象。其中，電致變色器件一般由透明導電層、電致變色層、電解質、離子存儲層和透明導電層組成。
而目前被進行各種研究且被研究得比較多的電致變色材料主要有3大類——無機電致變色材料、有機電致變色材料和有機金屬螯合物材料。其中，無機電致變色材料表現出結構和性能穩定好等優點，使之成為目前研究最為廣泛和成熟的材料。而無機電致變色材料的研究種類也比較多，也是可以分為3類：陰極電致變色材料、陽極電致變色材料和復合電致變色材料。以下，我們主要了解一下陰極電致變色材料。
什么是陰極電致變色材料？
展開 天津大學Mark Olson課題組設計并制備了一系列在固態下同時具有光致變色和水致變色特性的熒光復合材料。該復合材料由熒光分子與纖維素嵌合而成，在不同的相對環境濕度（RH）下表現出可逆的固態熒光水致變色的現象。而可逆的固態光致變色現象則是由于紫外燈的照射下纖維素穩定的自由基陽離子的產生。
包括光致變色、水致變色、熱致變色等的刺激響應型變色材料因為其巨大的應用潛能而被廣泛的關注及研究。本文應用常見的熒光基團（萘亞胺）與紫羅堿通過不同長度的碳鏈以共價鍵相連接構建目標分子，并將其與纖維素進行嵌合，從而成功制備了罕見的光致變色和水致變色相互轉換的熒光復合材料。其中，紫羅堿部分起到了兩方面的作用：1.作為熒光水致變色的水敏感受體，2. 產生導致光致變色的自由基陽離子。
圖一 熒光復合材料三種顏色狀態相互轉換示意圖
圖二 熒光分子與纖維素所制備的噴墨打印及薄膜材料的三種顏色狀態相互轉換示意圖
將該復合材料暴露在濕度可控的空間環境內，當相對濕度（RH）從0.1%上升到90%時該固態復合材料可以產生可逆的由藍到綠的熒光紅移（82 nm）變化。此為前兩種不同的熒光顏色狀態。為了進一步了解水致熒光變色的過程，相對濕度（RH）變化時每隔10%相對濕度（RH）所對應的固態熒光發射光譜也同樣被記錄和分析。而用紫外燈照射該復合材料時，其會產生由無色到藍色的光致變色現象。光致變色的主要原理是因為具有特殊藍色的纖維素穩定的紫羅堿自由基陽離子的產生。其中自由基陽離子的形成則被紫外吸收光譜和電子順磁共振光譜（EPR）所證實。
展開 (a)不同MOFs中DASAs在光和熱處理前后的顏色變化圖;(b) D2@101在光致變色塊體材料和光掩模信息記錄/擦除應用示意圖;(c) D2@101@PDMS光致變色立方體實例;(d) D2@101層上信息記錄與擦除實例。
超快速高效光致變色固體粉末材料可進一步用于智能填料，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基材，實現光致變色的固體塊材的制備（圖4a-4c）。另外，將固體粉末材料固定在紙張表面，還可以通過光照與加熱完成信息的往復存儲與擦寫（圖4d）。
該報道通過調節納米空間中的微環境來控制負載光敏感分子異構化速率和效率的策略將有助于建立統一制備方案開發高性能的固態光敏感材料。以上研究成果以《Fast photochromism in solid: microenvironment in metal-organic frameworks promotes the isomerization of donor-acceptor Stenhouse adducts》為題發表在Chemical Engineering Journal，第一作者為電子科技大學光電科學與工程學院博士研究生孫梵熙，通訊作者為鄭永豪教授與王東升副教授，電子科技大學為該論文的第一單位。該論文受到國家自然科學基金、四川省科學基金、廣東省科學基金與馬克思普朗克科學促進學會中德聯合實驗室共建項目的共同支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132037
展開 CINNO Research產業資訊，基于納米粒子的先進新材料專業廠商Nanobrick成功研制出全彩色(full-color)電子紙(E-Paper)薄膜。
Nanobrick實現世界上首次成功利用光晶體成功開發全彩色電子墨水，但由于薄膜化限制，在擴大應用上存在限制。通過此次薄膜研發，成功制作納米材料可變色薄膜，加快了全彩色電子紙的商業化進程。
Nanobrick公司1月19日表示，其成功研制了全彩色(full-color)電子紙(E-Paper)薄膜。
“電子紙是全球性公司數十年來通過大規模投資推動商業化的，”Nanobrick相關人士表示，“但目前只有唯一一家公司EIH（E Ink Holdings Inc.）成功實現商業化，是一項高難度技術?！?并稱“競爭公司的話，通過粒子的移動實現顏色的方式，需要復雜的圖案工藝和驅動板”，“而本公司的原創技術只需要調節納米粒子的間距，就可以實現全彩色，使膜本身實現顏色可變”。
目前市場上不斷在強調電子紙的價值。代表性地是，近期BMW在“CES 2022”展會上，曾公開在車表面涂布電子紙，實現顏色可變的汽車，引起業界廣泛關注。
展開 力致變色材料是指在外界力作用下物質的光學性質發生可逆改變的一類功能材料，在化學傳感器、信息存儲、光電設備以及防偽紙張等領域有著廣泛應用。目前，關于力致變色材料的研究主要集中于調控材料的熒光顏色。然而，這種單純基于顏色變化的力響應材料已經不能滿足現階段材料發展的需求，設計合成具有發光顏色和發光強度雙重可調的高對比度熒光變色材料一直是研究人員追求的目標，但這對于傳統的力致變色材料而言是很難實現的。
最近，尹梅貞教授課題組設計合成了一種基于“羅丹明-螺吡喃”雙發色團的力響應熒光變色分子P1（圖1），隨著剪切力作用的增強，P1熒光發生兩階段的高對比度顏色變化。
圖1 機械力調控分子內能量轉移實現高對比度熒光變色的示意圖。
作者利用苯丙氨酸二肽作為連接臂，巧妙地將羅丹明B和螺吡喃這兩種力響應基團共價連接起來，設計合成了分子P1。初始狀態下，P1并不發出熒光，當輕輕研磨P1后，則呈現出一種非同尋常的熒光“開啟”現象，發出橙色熒光；繼續對P1施加力刺激，熒光發射波長紅移，顯現出紅色熒光，表現出較高的對比度。
通過結構分析和理論模擬發現，羅丹明B結構中的C-N鍵以及螺吡喃結構中的C-O鍵在力的作用下都不穩定，且由于C-N鍵的鍵能小于C-O鍵，導致兩者發生力誘導開環反應所需要的能量存在明顯差異。因此，在剪切力刺激下，羅丹明B中C-N鍵的斷裂要先于螺吡喃中的C-O鍵。對P1施加力刺激時，分子結構中的C-N鍵最先受到破壞，發生了力開環反應，由無熒光的內酰胺結構轉變為共軛度較好的橙色熒光開環異構體，引起熒光發射強度的明顯增強。繼續對P1施加更強的剪切力，螺吡喃基團中C-O鍵斷裂，發射波長紅移，顯現出紅色熒光。
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該產品首創將大尺寸彩色電子紙應用于墻面裝飾領域，實現可拼接、全彩動態變色。通過突破材料與工藝瓶頸，以窄邊框設計與分布式驅動實現大尺寸視覺呈現，具備靜態零功耗特性（能耗僅為LED的1/1000），重新定義了空間智能交互與低碳顯示新范式。
該文通過水真空過濾(VAF)，將水分散自愈聚氨酯(W-SPU)、功能化BNNS和熱致變色分子(TCMs)合理組裝，設計了一種既具有珍珠狀結構又具有粘彈性的軟性熱致變色復合材料(STC)。實驗結果顯示該材料具有高的面內導熱系數(~30 W/mK)，低熱接觸電阻(~12 mm2 K W-1，比銀漿低4-5倍)，強而持久的附著力(~4607 J/m2，比環氧漿大2220 J/m2)和自修復效率。
解決這些挑戰并追求彩色液態金屬成功集成到光電信息器件中，將為包括柔性電子器件、智能材料、變色龍軟體機器人、防偽材料、生物醫學領域、電子藝術和可穿戴設備在內的許多應用提供新的途徑。
文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202210515
圖 3 動態輻射制冷材料
基于氧化鎢(WO3)、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可見光-紅外電致變色性能材料的器件通常為多層結構，由夾在兩個電極間通過電解液分隔的光學和電化學活性層組成，依靠改變外加電位差產生離子或電子的插入/提取，從而改變材料在中紅外和“大氣窗口”波段的光學性質。WO3 在質子/鋰離子插入下從透明/絕緣體轉變為藍色/金屬狀態。
通過此次薄膜研發，成功制作納米材料可變色薄膜，加快了全彩色電子紙的商業化進程。
Nanobrick公司1月19日表示，其成功研制了全彩色(full-color)電子紙(E-Paper)薄膜。
在這項研究中，材料行為的遠程時空控制策略為構建可控光致變色軟材料提供了一種新途徑，在加密、信息存儲和精細光刻領域具有廣闊的應用前景。
圖1.
其中，D1@101可見光（530 nm, 40 mW/cm2）的照射下，于~7.7 s內即完成了100%的linear-to-cyclic異構化，這與溶劑體系下異構化時間屬于同一數量級，是目前報道中最快的光致變色固體材料之一（圖 2f）。
2.2 材料變色焦料或降解
2.2.1 主要原因
溫度控制不當；流道或澆口尺寸過小引起較大剪切生熱；流道內的死點導致滯留料受熱時間過長。
2.2.2 解決對策
(1) 溫度的準確控制。
：二元協同效應制備高對比度力致變色材料
香港科技大學唐本忠院士課題組用基于三鍵的聚合方法合成含氟聚二烯
唐本忠院士團隊《Adv. Funct. Mater.》：基于聚集誘導發光分子的有機無機納米復合材料
唐本忠院士團隊深圳大學AIE研究中心《Adv. Sci.》
：二元協同效應制備高對比度力致變色材料
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