變色材料的案例
新型智能材料——電致變色材料
電致變色
近年來，出現(xiàn)了這么一種新型材料——電致變色材料。科學(xué)家指出，電致變色材料是目前最有研究和應(yīng)用前景的智能材料之一。而科學(xué)家也曾預(yù)言，智能材料的大規(guī)模應(yīng)用將使得材料科學(xué)的發(fā)展發(fā)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(shè)計(jì)材料之后的第四代材料。
為什么科學(xué)家會(huì)認(rèn)為電致變色材料是目前最有應(yīng)用前景的智能材料之一呢？因?yàn)殡娭?em>變色材料具有特殊的性能和誘人的應(yīng)用前景。這極具應(yīng)用前途的材料到底有哪些應(yīng)用？
一般情況下，大家比較經(jīng)常接觸的是——智能節(jié)能窗（智能玻璃）、信息顯示器、汽車防眩目后視鏡、信息儲(chǔ)存器等。
汽車防眩目后視鏡
在國防和軍事領(lǐng)域，電致變色材料也是有著很廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。例如，電致變色材料因具有紅外發(fā)射可調(diào)特性（在中遠(yuǎn)紅外光譜）可制成新型紅外發(fā)射器件。據(jù)專家介紹，該種新型發(fā)射器可以應(yīng)用于衛(wèi)星、武器裝備的紅外隱身等諸多領(lǐng)域。所以，你說電致變色材料這么一塊“香餑餑”怎會(huì)不迅速成為各國研究人員們爭(zhēng)相研究的領(lǐng)域呢？
衛(wèi)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(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化現(xiàn)象。其中，電致變色器件一般由透明導(dǎo)電層、電致變色層、電解質(zhì)、離子存儲(chǔ)層和透明導(dǎo)電層組成。
而目前被進(jìn)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(jī)電致變色材料、有機(jī)電致變色材料和有機(jī)金屬螯合物材料。其中，無機(jī)電致變色材料表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，使之成為目前研究最為廣泛和成熟的材料。而無機(jī)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(fù)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(xué)Mark Olson課題組：固態(tài)水致光致變色纖維素嵌合的熒光復(fù)合材料
天津大學(xué)Mark Olson課題組設(shè)計(jì)并制備了一系列在固態(tài)下同時(shí)具有光致變色和水致變色特性的熒光復(fù)合材料。該復(fù)合材料由熒光分子與纖維素嵌合而成，在不同的相對(duì)環(huán)境濕度（RH）下表現(xiàn)出可逆的固態(tài)熒光水致變色的現(xiàn)象。而可逆的固態(tài)光致變色現(xiàn)象則是由于紫外燈的照射下纖維素穩(wěn)定的自由基陽離子的產(chǎn)生。
包括光致變色、水致變色、熱致變色等的刺激響應(yīng)型變色材料因?yàn)槠渚薮蟮膽?yīng)用潛能而被廣泛的關(guān)注及研究。本文應(yīng)用常見的熒光基團(tuán)（萘亞胺）與紫羅堿通過不同長(zhǎng)度的碳鏈以共價(jià)鍵相連接構(gòu)建目標(biāo)分子，并將其與纖維素進(jìn)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(zhuǎn)換的熒光復(fù)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(chǎn)生導(dǎo)致光致變色的自由基陽離子。
圖一 熒光復(fù)合材料三種顏色狀態(tài)相互轉(zhuǎn)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(tài)相互轉(zhuǎn)換示意圖
將該復(fù)合材料暴露在濕度可控的空間環(huán)境內(nèi)，當(dāng)相對(duì)濕度（RH）從0.1%上升到90%時(shí)該固態(tài)復(fù)合材料可以產(chǎn)生可逆的由藍(lán)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(tài)。為了進(jìn)一步了解水致熒光變色的過程，相對(duì)濕度（RH）變化時(shí)每隔10%相對(duì)濕度（RH）所對(duì)應(yīng)的固態(tài)熒光發(fā)射光譜也同樣被記錄和分析。而用紫外燈照射該復(fù)合材料時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生由無色到藍(lán)色的光致變色現(xiàn)象。光致變色的主要原理是因?yàn)榫哂刑厥馑{(lán)色的纖維素穩(wěn)定的紫羅堿自由基陽離子的產(chǎn)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(shí)。
展開 電子科大鄭永豪/王東升課題組CEJ：基于給體-受體斯坦豪斯加合物（DASAs）的超快光致變色固體材料及異構(gòu)化調(diào)控策略
(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(yīng)用示意圖;(c) D2@101@PDMS光致變色立方體實(shí)例;(d) D2@101層上信息記錄與擦除實(shí)例。
超快速高效光致變色固體粉末材料可進(jìn)一步用于智能填料，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基材，實(shí)現(xiàn)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(fù)存儲(chǔ)與擦寫（圖4d）。
該報(bào)道通過調(diào)節(jié)納米空間中的微環(huán)境來控制負(fù)載光敏感分子異構(gòu)化速率和效率的策略將有助于建立統(tǒng)一制備方案開發(fā)高性能的固態(tài)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(fā)表在Chemical Engineering Journal，第一作者為電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)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(xué)為該論文的第一單位。該論文受到國家自然科學(xué)基金、四川省科學(xué)基金、廣東省科學(xué)基金與馬克思普朗克科學(xué)促進(jìn)學(xué)會(huì)中德聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共建項(xiàng)目的共同支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132037
展開 電子紙 | Nanobrick成功開發(fā)納米材料可變色全彩電子紙薄膜
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，基于納米粒子的先進(jìn)新材料專業(yè)廠商N(yùn)anobrick成功研制出全彩色(full-color)電子紙(E-Paper)薄膜。
Nanobrick實(shí)現(xiàn)世界上首次成功利用光晶體成功開發(fā)全彩色電子墨水，但由于薄膜化限制，在擴(kuò)大應(yīng)用上存在限制。通過此次薄膜研發(fā)，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(yè)化進(jìn)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(shù)十年來通過大規(guī)模投資推動(dòng)商業(yè)化的，”Nanobrick相關(guān)人士表示，“但目前只有唯一一家公司EIH（E Ink Holdings Inc.）成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，是一項(xiàng)高難度技術(shù)。”
并稱“競(jìng)爭(zhēng)公司的話，通過粒子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)顏色的方式，需要復(fù)雜的圖案工藝和驅(qū)動(dòng)板”，“而本公司的原創(chuàng)技術(shù)只需要調(diào)節(jié)納米粒子的間距，就可以實(shí)現(xiàn)全彩色，使膜本身實(shí)現(xiàn)顏色可變”。
目前市場(chǎng)上不斷在強(qiáng)調(diào)電子紙的價(jià)值。代表性地是，近期BMW在“CES 2022”展會(huì)上，曾公開在車表面涂布電子紙，實(shí)現(xiàn)顏色可變的汽車，引起業(yè)界廣泛關(guān)注。
展開 
北化工尹梅貞教授等：利用機(jī)械力調(diào)控分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度熒光變色
力致變色材料是指在外界力作用下物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生可逆改變的一類功能材料，在化學(xué)傳感器、信息存儲(chǔ)、光電設(shè)備以及防偽紙張等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于力致變色材料的研究主要集中于調(diào)控材料的熒光顏色。然而，這種單純基于顏色變化的力響應(yīng)材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段材料發(fā)展的需求，設(shè)計(jì)合成具有發(fā)光顏色和發(fā)光強(qiáng)度雙重可調(diào)的高對(duì)比度熒光變色材料一直是研究人員追求的目標(biāo)，但這對(duì)于傳統(tǒng)的力致變色材料而言是很難實(shí)現(xiàn)的。
最近，尹梅貞教授課題組設(shè)計(jì)合成了一種基于“羅丹明-螺吡喃”雙發(fā)色團(tuán)的力響應(yīng)熒光變色分子P1（圖1），隨著剪切力作用的增強(qiáng)，P1熒光發(fā)生兩階段的高對(duì)比度顏色變化。
圖1 機(jī)械力調(diào)控分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)高對(duì)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(yīng)基團(tuán)共價(jià)連接起來，設(shè)計(jì)合成了分子P1。初始狀態(tài)下，P1并不發(fā)出熒光，當(dāng)輕輕研磨P1后，則呈現(xiàn)出一種非同尋常的熒光“開啟”現(xiàn)象，發(fā)出橙色熒光；繼續(xù)對(duì)P1施加力刺激，熒光發(fā)射波長(zhǎng)紅移，顯現(xiàn)出紅色熒光，表現(xiàn)出較高的對(duì)比度。
通過結(jié)構(gòu)分析和理論模擬發(fā)現(xiàn)，羅丹明B結(jié)構(gòu)中的C-N鍵以及螺吡喃結(jié)構(gòu)中的C-O鍵在力的作用下都不穩(wěn)定，且由于C-N鍵的鍵能小于C-O鍵，導(dǎo)致兩者發(fā)生力誘導(dǎo)開環(huán)反應(yīng)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(duì)P1施加力刺激時(shí)，分子結(jié)構(gòu)中的C-N鍵最先受到破壞，發(fā)生了力開環(huán)反應(yīng)，由無熒光的內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹椂容^好的橙色熒光開環(huán)異構(gòu)體，引起熒光發(fā)射強(qiáng)度的明顯增強(qiáng)。繼續(xù)對(duì)P1施加更強(qiáng)的剪切力，螺吡喃基團(tuán)中C-O鍵斷裂，發(fā)射波長(zhǎng)紅移，顯現(xiàn)出紅色熒光。
展開 東華大學(xué)《Mater. Horiz.》: 做好的MOF不要扔，燒一燒還能玩顯示
電致變色材料的光學(xué)性質(zhì)可隨電壓的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生可逆變化，從而廣泛應(yīng)用于偽裝、節(jié)能窗、顯示器和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。其中，氧化鎳(NiO)因其成本低廉、中性著色態(tài)的優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注。但是NiO晶格間電子和離子嵌入/脫出較慢，導(dǎo)致其顏色轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)、著色效率較低低，不滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
近日，東華大學(xué)材料學(xué)院先進(jìn)功能材料課題組(AFMG)王宏志、李耀剛、張青紅和侯成義首次提出利用MOF衍生物作為高性能電致變色材料的策略，通過Ni-MOF氬氫混合氣原位碳化再空氣氧化的兩步加熱過程，實(shí)現(xiàn)了MOF衍生NiO@C薄膜電極中碳含量的調(diào)控，極大提高了電子和離子的嵌入/脫出速率，達(dá)到較快的變色速度和較高的著色效率。相關(guān)成果以“Regulation of carbon content in MOF-derived hierarchical-porous NiO@C films for high-performance electrochromic”為題發(fā)表于Materials Horizons上。文章通訊作者為侯成義副教授和李耀剛教授，文章第一作者為東華大學(xué)碩士生梁浩，共同一作為東華大學(xué)博士生李然。
研究團(tuán)隊(duì)將生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃上的Ni-MOF薄膜進(jìn)行先氬氫混合氣再空氣氣氛中兩步加熱處理，得到分級(jí)孔NiO@C薄膜電極，通過研究了MOF熱解過程中的形貌和物相轉(zhuǎn)變，結(jié)合電致變色性能表征，證實(shí)了碳的分布有效降低了電極材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻。得益于原位碳的摻雜與多級(jí)孔的結(jié)構(gòu)，變色電極的顏色轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短至0.5s以內(nèi)，著色效率提高至 113.5 cm2 C-1，實(shí)現(xiàn)了高循環(huán)穩(wěn)定性(2萬次循環(huán)性能保持90.1%)。
基于該類高性能MOF衍生分級(jí)孔NiO@C電致變色材料，研究團(tuán)隊(duì)制備了快速響應(yīng)的電致變色眼鏡和數(shù)字顯示器，證明了其在可穿戴設(shè)備及新型顯示領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
展開 《先進(jìn)功能材料》首爾國立大學(xué)設(shè)計(jì)出具有變色能力的仿生柔性致動(dòng)器
植物、動(dòng)物和昆蟲的獨(dú)特生理特征為軟機(jī)器人領(lǐng)域新穎而復(fù)雜的審美和致動(dòng)能力，包括偽裝能力，提供了靈感。
在一篇發(fā)表于Advanced Functional Materials的論文中，首爾國立大學(xué)的Jinhyeong Kwon博士和Seung Hwan Ko教授及其同事設(shè)計(jì)了具有仿生致動(dòng)能力的色移各向異性柔性致動(dòng)器（CASA）。
Hyeonseok Kim說道：“傳統(tǒng)熱操作柔性致動(dòng)器具有局限性，因?yàn)槠涔δ苋Q于整個(gè)設(shè)備的幾何形狀，并且加熱器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。然而，利用聚合物的各向異性熱膨脹特性，我們可以通過簡(jiǎn)單地改變聚合物的方向來輕松地編制程序。“
具有不同縱橫比的CASA可以在加熱時(shí)以相同的曲率在相同方向上彎曲，而且在冷卻后恢復(fù)到初始形狀。通過將低密度聚乙烯薄膜（LDPE膜）的縱向方向相對(duì)于致動(dòng)器的縱向方向改變至90°，在寬度方向上會(huì)產(chǎn)生扭曲和彎曲。
Hyeonseok Kim說：“通過在上述致動(dòng)聚合物上應(yīng)用熱敏顏料，我們可以成功模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和著色。這可能會(huì)在仿生柔性致動(dòng)器領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。”
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801847
來源：Wiley
展開 寧波材料所陳濤研究員課題組《ACS Nano》：基于智能多色熒光高分子水凝膠的仿生變色皮膚研究
受到這些生物體變色現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了多種基于聚合物薄膜、彈性體和水凝膠等軟材料的人工變色體系。其中，高分子水凝膠由于具有類生物組織的模量及本征軟、濕特性，以及良好的生物相容性，被認(rèn)為是一種模擬生物變色功能的理想軟材料。雖然目前已經(jīng)有大量關(guān)于多色水凝膠系統(tǒng)的報(bào)道，但其依然很少被應(yīng)用于仿生皮膚來增強(qiáng)機(jī)器人的功能，可能原因如下：（1）目前已報(bào)道智能水凝膠的變色過程多由pH、金屬離子、溫度等傳統(tǒng)刺激手段調(diào)控，往往依賴于溶液環(huán)境或復(fù)雜且不方便攜帶的設(shè)備，也難以實(shí)現(xiàn)材料光學(xué)性能的精確時(shí)空控制；（2）特別是pH或金屬離子響應(yīng)體系，酸堿等化學(xué)刺激物的不斷交替添加，會(huì)在水凝膠內(nèi)殘留累積反應(yīng)生成無機(jī)鹽，嚴(yán)重削弱其循環(huán)刺激響應(yīng)的靈敏度，導(dǎo)致變色性能的衰減，極大地限制了其在軟體機(jī)器人等多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展新型“無刺激物殘留”的智能變色水凝膠體系以實(shí)現(xiàn)其局部發(fā)光顏色/強(qiáng)度的精確控制和優(yōu)異的循環(huán)變色性能十分必要。
近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與路偉研究員一直致力于智能熒光高分子水凝膠的研究（Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100417; Aggregate, 2021, 1, e37; Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60,3640; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Adv. Funct.
展開 寧波材料所陳濤研究員課題組：受豹紋變色龍皮膚啟發(fā)的智能多色熒光高分子水凝膠
變色龍皮膚啟發(fā)的仿生核殼結(jié)構(gòu)熒光高分子水凝膠的結(jié)構(gòu)及其智能多色熒光調(diào)控示意圖
經(jīng)過細(xì)致的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的變色龍皮膚和已報(bào)道的多色熒光高分子水凝膠具有不同的結(jié)構(gòu)，例如，人工合成的多色熒光水凝膠多是將兩種或多種熒光團(tuán)同時(shí)引入單一的各向同聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中制備的，而近期的一個(gè)生物學(xué)研究（M. C. Milinkovitch, et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6368）表明，豹紋變色龍的皮膚中含有兩層致密排列的虹色細(xì)胞（類似于核殼結(jié)構(gòu)，如圖1b所示），這種細(xì)胞不僅含有色素，還含有很多光子晶體，變色龍就是通過肌肉運(yùn)動(dòng)來控制不同細(xì)胞層中的晶體排列結(jié)構(gòu)來呈現(xiàn)豐富多彩的結(jié)構(gòu)色變化。這一材料結(jié)構(gòu)的顯著差異促使科研團(tuán)隊(duì)思考：是否可以在高分子水凝膠中構(gòu)建類似的多層核殼結(jié)構(gòu)，使得不同響應(yīng)性的熒光團(tuán)分別分布在不同水凝膠層中，從而可以像變色龍皮膚一樣呈現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變？
為了驗(yàn)證這一設(shè)想，科研團(tuán)隊(duì)提出了一種離子擴(kuò)散誘導(dǎo)界面聚合的材料構(gòu)筑方法，成功地將紅色稀土銪配合物（R）、聚集誘導(dǎo)發(fā)光型（AIE）藍(lán)色萘酰亞胺（B）和pH響應(yīng)性綠色苝四甲酸（G）等三種熒光團(tuán)分別引入核殼結(jié)構(gòu)高分子水凝膠的核層、第一殼層和第二殼層，其中AIE型萘酰亞胺因被共價(jià)接枝到溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）高分子鏈上而具有溫致藍(lán)色熒光顯著增強(qiáng)性質(zhì)。得益于這一獨(dú)特的仿生多層核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三色熒光團(tuán)的空間距離較遠(yuǎn)而不會(huì)發(fā)生復(fù)雜的光物理相互作用（如能量轉(zhuǎn)移、復(fù)合物/締合物發(fā)光等），水凝膠第一殼層和第二殼層的藍(lán)色和綠色熒光強(qiáng)度可以分別利用溫度和pH刺激進(jìn)行獨(dú)立且連續(xù)的調(diào)控，從而成功實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變。
展開 東華大學(xué)王宏志團(tuán)隊(duì)ACS Nano:高性能Na+離子電致變色助力廉價(jià)顯示電子及物聯(lián)網(wǎng)器件
也正是基于鈉離子的多方面優(yōu)勢(shì)，研究人員也希望將鈉離子應(yīng)用到同樣基于氧化還原反應(yīng)的電致變色器件中去。顧名思義，電致變色是指材料光學(xué)屬性在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生可逆的變化的現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能窗、汽車后視鏡、智能顯示等領(lǐng)域。但是由于Na+離子半徑明顯大于通用的Li+離子，導(dǎo)致其在傳統(tǒng)電致變色電極如氧化鎢中傳輸變得緩慢，從而極大地降低了電致變色材料的性能和循環(huán)壽命，限制了鈉離子電化學(xué)體系在電致變色領(lǐng)域的應(yīng)用。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，東華大學(xué)王宏志研究團(tuán)隊(duì)與美國佐治亞理工王剛博士(現(xiàn)美國西北大學(xué)博士后)合作，將含有變色基團(tuán)的有機(jī)配體組裝成MOF電極，利用該類MOF結(jié)構(gòu)中具有較大尺寸的一維離子通道，實(shí)現(xiàn)了鈉離子的快速脫嵌，從而使得電致變色電極在Na+有機(jī)電解液中達(dá)到了極高的變色速度和變色效率。相關(guān)成果以題為“Ion-Transport Design for High-Performance Na+-Based Electrochromics”發(fā)表在ACS Nano上。文章的共同第一作者為東華大學(xué)李然博士生和李克睿博士(現(xiàn)新加坡國立大學(xué)博士后)。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一. 兩種MOF的結(jié)構(gòu)分析。
(a, b, c, d)兩種MOF的SEM圖像；
(e)兩種MOF的XRD圖；
(f, g)兩種MOF的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；
(h)兩種MOF的N2等溫吸脫附曲線；
圖二. MOF電極在不同電解液中電化學(xué)性能和離子傳輸示意圖。
(a)MOF電極在不同電解液中的電化學(xué)阻抗圖；
(b)MOF電極在Na+電解液中的循環(huán)伏安曲線；
(c)不同離子在MOF電極中的離子傳輸效率；
(d) MOF電極在不同電解液中離子傳輸機(jī)制圖；
圖3. MOF電極在不同電解液中的電致變色性能。
展開 《Materials Horizons》報(bào)道離子水凝膠新型電致變色器件
電致變色材料的顏色和透過率等光學(xué)屬性可以在外電場(chǎng)調(diào)控下發(fā)生可逆變化。利用這種原理開發(fā)的功能器件在節(jié)能建筑、信息顯示、國防工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在辦公大樓的幕墻或者飛機(jī)舷窗安裝電致變色器件，可以起到自動(dòng)調(diào)節(jié)紅外輻射和自然光照明的作用。然而，傳統(tǒng)電致變色器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且嚴(yán)重限制了設(shè)計(jì)的靈活性。
圖1 離子水凝膠電致變色器件
近日，國際知名期刊《Materials Horizons》刊登了題為“Multifunctional hydrogel enables extremely simplified electrochromic devices for smart windows and ionic writing boards”的研究論文。研究人員通過將多功能離子水凝膠與氧化鎢薄膜復(fù)合，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)精巧的新型電致變色器件。在周期性偏壓下，這種基于離子水凝膠的電致變色裝置能夠表現(xiàn)出顯著的顏色變化和高達(dá)70％的透射率調(diào)制（如圖1所示）。與傳統(tǒng)電致變色器件相比，響應(yīng)速度和著色效率均明顯提高。
圖2 離子書寫板演示
此外，論文中首次展示了一種基于電致變色原理的可擦寫離子書寫板（如圖2所示）。該設(shè)計(jì)突破了電致變色顯示器件不可擦寫的局限，驅(qū)動(dòng)電壓低至~1 V。這項(xiàng)工作對(duì)下一代電致變色器件的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有重要的意義，同時(shí)也為離子水凝膠的應(yīng)用提供了一種全新的思路。
論文第一作者為西安交通大學(xué)材料學(xué)院青年教師方華靖博士。南方科技大學(xué)汪宏教授和方華靖博士為通訊作者，合作單位還包括美國賓州州立大學(xué)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、博新計(jì)劃和西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心的支持。
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復(fù)合材料模仿生物體的顏色變化
（?Wiley）
“這是一個(gè)令人興奮的研究階段，因?yàn)槲覀冊(cè)絹碓侥軌蚋淖円恍﹦?dòng)物用于人造設(shè)備的變色機(jī)制，”研究第一作者M(jìn)iki Sakai補(bǔ)充道。“如果這些人造變色材料可以等于或超過一些動(dòng)物（如章魚和青蛙）制作的鮮艷顯示屏，它可能在開發(fā)新顯示技術(shù)方面有令人興奮的應(yīng)用。”
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展開 智能服裝或是可穿戴的下一個(gè)“爆款”
據(jù)了解，目前服裝主要通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)智能：一種是運(yùn)用智能服裝材料，包括形狀記憶材料、相變材料、變色材料等；另一種是將傳感技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)引入人們?nèi)粘４┲姆b中，包括應(yīng)用導(dǎo)電材料、柔性傳感器、低功耗芯片技術(shù)、低功耗無線通信技術(shù)和電源等。
我們把智能衣物形象地比喻為第二身肌膚，人類離不開衣服，但只有智能衣物才會(huì)對(duì)人產(chǎn)生保護(hù)和增強(qiáng)，“人本智能”是可穿戴的核心概念，這也是為什么衣物要成為可穿戴設(shè)備的下一個(gè)主題。
目前就有企業(yè)敏銳地嗅到這一即將到來的風(fēng)口。在之前2016春夏紐約時(shí)裝周上，英特爾聯(lián)手建筑學(xué)運(yùn)動(dòng)服裝設(shè)計(jì)師Chromat推出的兩款“響應(yīng)式服裝”就得到了不俗的反響。
這兩款智能服裝的特別之處在于搭載了英特爾那顆只有紐扣大小的硬件平臺(tái)Curie，其利用傳感器收集心跳、體溫等人體生理信號(hào)，還可通過在衣服中集成的形狀記憶合金使衣服變形。
未來，智能服裝將可以檢測(cè)穿著者的健康和健身數(shù)據(jù)、在陽光下進(jìn)行自我清潔、提供導(dǎo)航等觸覺反饋，甚至還能夠穩(wěn)定穿著者的體溫。不僅如此，專家預(yù)測(cè)，智能服裝內(nèi)部還可以存儲(chǔ)城市地圖，擁有GPS模塊，當(dāng)你需要左轉(zhuǎn)的時(shí)候，左肩會(huì)震動(dòng)一下，反之亦然。
實(shí)穿性是難點(diǎn)
智能服裝將成為智能穿戴領(lǐng)域出貨量最大的品類之一。不過，要想做出智能服裝并不容易，這給紡織業(yè)提出了極高的要求。
智能穿戴要做到兩個(gè)特性，首先，要使我們的衣服具有電氣性能、光電性能或者智能光纖，這比傳統(tǒng)電路難度要高很多。另外，還要滿足智能服裝的機(jī)械特性，抗壓、抗拉、抗折、抗揉洗等等。
要滿足電氣性能非常難，我們現(xiàn)在做的智能衣物是微型的，能不能把傳感器和計(jì)算電路做到纖維級(jí)，這是目前可穿戴智能服裝的一個(gè)突破口。另外，把晶體管之類的東西做到纖維里，也是一個(gè)研究方向。
傳統(tǒng)紡織工業(yè)做的是導(dǎo)電纖維，這種纖維價(jià)格很貴，而且傳輸能力差。
展開 柔性機(jī)器人的中國“貢獻(xiàn)”
近日，一篇刊登在最新一期《美國化學(xué)會(huì)—應(yīng)用材料與界面》雜志上的論文又將“柔性機(jī)器人”這一概念拉回人們視線中，中科院理化技術(shù)所的研究人員新發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)合金在犧牲金屬或電場(chǎng)的刺激下可變色特點(diǎn)，加上其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、低粘度、良好的流動(dòng)性和生物相容性，顯示出了一定條件下可以變形和運(yùn)動(dòng)的能力；為柔性機(jī)器人提供可變性變色材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可能性。
早在2015年，中國科學(xué)家就在世界上首次根據(jù)液態(tài)金屬在電場(chǎng)下自主運(yùn)動(dòng)可變形的特性從理論和技術(shù)層面論證了液態(tài)金屬柔性機(jī)器人的可能性。此前，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜在其撰寫的室溫液態(tài)金屬綜述文章中也曾寫道，“液態(tài)金屬可變形機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望促成柔性機(jī)器理論與技術(shù)取得重大突破。”
什么是柔性機(jī)器人？
新加坡國立大學(xué)機(jī)械工程系教授朱建曾給出過一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，柔性機(jī)器人的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性、良好的人機(jī)互動(dòng)性等。
我們一般常見的人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)大多是僵硬的，跳躍落地時(shí)都會(huì)重重地砸向地面，傳統(tǒng)的剛性材料很難讓機(jī)器人靈活地呈現(xiàn)給大家，未來的機(jī)器人應(yīng)該是朝著更輕、更柔軟、對(duì)外部動(dòng)力依賴程度更低的方向發(fā)展，到時(shí)候人機(jī)協(xié)作會(huì)更安全、更協(xié)調(diào)。
柔性機(jī)器人目前分為工業(yè)和生物兩大類，主要是為了應(yīng)對(duì)制造業(yè)和醫(yī)療行業(yè)的需求，有意思的是柔性機(jī)器人在不同的領(lǐng)域定義也不完全相同。從制造業(yè)的角度來講，柔性機(jī)器人是指運(yùn)用機(jī)器視覺的六軸以上的工業(yè)機(jī)器人。從生物學(xué)角度來講，柔性機(jī)器人是指模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生機(jī)器人。后者將被應(yīng)用至各種復(fù)雜環(huán)境中幫助甚至代替人們執(zhí)行特殊、高級(jí)的任務(wù)。
雖然柔性機(jī)器人有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，甚至柔性機(jī)器人大多使用的還是剛性材料，比如金屬、塑料等材料制成。
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