張曉安團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室觀察討論實(shí)驗(yàn)效果

■本報(bào)通訊員 劉颯 記者 陳彬

國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然—材料》雜志近日刊登的文章顯示，吉林大學(xué)教授張曉安科研團(tuán)隊(duì)在新型電致變色材料和雙穩(wěn)態(tài)顯示技術(shù)領(lǐng)域再次取得新成果。這一研究成果與人類生活密切相關(guān)——不傷眼、超省電的顯示模式，有望在帶給人們?nèi)碌囊曈X體驗(yàn)的同時(shí)，助力社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)代主流顯示技術(shù)（液晶、LED等）只有在持續(xù)給電的情況下才能維持圖像、文字信息的可視化和持續(xù)閱讀。“長(zhǎng)時(shí)間使用不僅耗電多，而且強(qiáng)光直射人眼視網(wǎng)膜，對(duì)眼睛傷害較大。”張曉安對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，解決電子設(shè)備 “對(duì)眼不友好、高能耗、能源利用率低”已成為行業(yè)難題。

夢(mèng)寐以求的目標(biāo)

盡管全球眾多杰出科研團(tuán)隊(duì)致力于相關(guān)電致變色（EC）材料和技術(shù)的研發(fā)，并不斷取得可喜成果，然而，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展一直不盡人意。

張曉安認(rèn)為，這主要是因?yàn)橐阎南嚓P(guān)材料和技術(shù)僅能部分滿足顯示要求，綜合性能卻無法真正滿足高端電子顯示所需。特別是色彩單調(diào)、色調(diào)純度不佳、色彩對(duì)比度和分辨率低、變色速度遲緩、雙穩(wěn)態(tài)性能差（色彩不夠穩(wěn)定、需頻繁刷新和耗電維持）、材料和器件的化學(xué)穩(wěn)定性不夠理想等綜合性能不佳的問題，當(dāng)下難以解決，這也使該領(lǐng)域的進(jìn)一步研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)面臨巨大挑戰(zhàn)。

上述諸多技術(shù)瓶頸，恰恰是由于傳統(tǒng)電致變色的反應(yīng)機(jī)制和材料制備工藝所致。如何真正實(shí)現(xiàn)符合要求的“高度節(jié)能、視力友善、色彩艷麗”的雙穩(wěn)態(tài)電致變色（尤其是符合要求的多色）顯示，是科學(xué)家夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。

瞄準(zhǔn)這一重大需求，張曉安科研團(tuán)隊(duì)通過探索非傳統(tǒng)的功能仿生方式，另辟蹊徑攻克難關(guān)，終于研發(fā)出具有優(yōu)異雙穩(wěn)態(tài)顯示性能的全新電致變色材料。2019年4月，這一科研成果發(fā)表在《自然—通訊》上。

基于該團(tuán)隊(duì)提出的“電致酸/堿”方法，論文率先介紹了具有電致變色性能的功能仿生超分子材料體系，并以此成功構(gòu)建了幾種前景廣泛的電子器件，展示了其給電刺激響應(yīng)速度快、超級(jí)省電的潛能。

“已知最佳的雙穩(wěn)態(tài)性能”

此后，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)并開發(fā)出全新的高分子電致變色材料，較之前的對(duì)比度、穩(wěn)定性、雙穩(wěn)態(tài)等性能方面都有新進(jìn)展、新突破，更具產(chǎn)業(yè)化前景。團(tuán)隊(duì)還展示了該類多色雙穩(wěn)態(tài)電致變色器件在商店貨架的電子標(biāo)簽（ESL）及電子廣告屏上的潛在應(yīng)用，這項(xiàng)成果于2019年9月在《自然—材料》上發(fā)表。

張曉安向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹說，與傳統(tǒng)電致變色材料相比，這類新型電致變色材料的主要性能如著色效率（1240 cm2/C）、雙穩(wěn)態(tài)性能等，均已超過現(xiàn)有電致變色材料的最佳值。并且，其優(yōu)異的整體綜合性能越來越接近雙穩(wěn)態(tài)顯示的理想目標(biāo)，其簡(jiǎn)化的生產(chǎn)工藝也有助于該類材料未來的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化。

例如，其電子顯示的信息（圖像）在閱讀和長(zhǎng)時(shí)間保持的時(shí)候不耗電，只有在翻頁（信息切換）的時(shí)候才略微耗電，其所展示的顏色和信息可以保持清晰穩(wěn)定兩天以上而無需任何刷新和耗電維持，一旦該信息通過逆轉(zhuǎn)電壓消除后，其無色狀態(tài)可以保持穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月。

“這是已知最佳的雙穩(wěn)態(tài)性能。”張曉安說。

此外，該材料還具有超高的顏色對(duì)比度和著色效率；出色的透光率變化和較快的信息（顏色）切換速度；出色的循環(huán)可逆性。為了滿足多色顯示的需求，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了黑色、品紅色、黃色和藍(lán)色等幾種較為理想的電子顯示常用的顏色。

張曉安提出，與當(dāng)下市場(chǎng)常見的顯示技術(shù)（液晶等）相比，其最大優(yōu)勢(shì)是“超級(jí)省電、色彩柔和、視覺感舒適”。

該技術(shù)的“超級(jí)省電”特性意味著采用該技術(shù)后未來的電子設(shè)備的能耗將會(huì)大大降低，甚至可持續(xù)使用幾周無需充電。由于其不存在強(qiáng)光直入眼底而傷害視網(wǎng)膜等問題，此類電子產(chǎn)品的普及不僅會(huì)使人們的視覺體驗(yàn)大大提高，更會(huì)使電子閱讀導(dǎo)致的當(dāng)下越演越烈的全球眼疾風(fēng)暴得到遏制。

團(tuán)隊(duì)研究人員介紹說，該顯示技術(shù)的獨(dú)到之處還在于，其模仿了生命體系中質(zhì)子和電子相互作用和維持分子動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的“超分子工作原理”，巧妙地設(shè)計(jì)了電誘發(fā)分子酸堿性的可逆變化，并以此來實(shí)現(xiàn)功能染料的顏色變化和持續(xù)穩(wěn)定性。

顯示領(lǐng)域應(yīng)用探索的起點(diǎn)

張曉安介紹說，這一“功能仿生”在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用探索無疑是一個(gè)起點(diǎn)。

“其所展示的新型雙穩(wěn)態(tài)電致變色材料和器件原型，不僅豐富了分子開關(guān)和理想電致變色材料的探索，推進(jìn)了其在未來顯示領(lǐng)域的應(yīng)用；更重要的是，其獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)理念，會(huì)啟發(fā)更多的科技工作者投身其中，開發(fā)出更多更好的功能仿生材料和技術(shù)。”張曉安表示，這將拓展其在未來的雙穩(wěn)態(tài)顯示、醫(yī)學(xué)檢測(cè)和新藥開發(fā)、化學(xué)催化等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)各種“高效低耗”“對(duì)健康和環(huán)境友善”的新型電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展。

“電致變色技術(shù)在電子顯示領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景。”北京大學(xué)深圳研究生院的新材料學(xué)院副院長(zhǎng)、教授孟鴻點(diǎn)評(píng)道，這是因?yàn)?，它有著目前液晶、OLED等主流顯示技術(shù)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：顯示器可利用外界光源，接近自然顯示效果；無強(qiáng)光線直射入眼，閱讀舒適，對(duì)眼健康極為友善；超薄輕便、可柔性；能量利用率高；雙穩(wěn)態(tài)的工作模式、非常省電。

孟鴻向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，盡管幾十年來國(guó)內(nèi)外許多杰出團(tuán)隊(duì)致力于有機(jī)電致變色材料的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，但由于傳統(tǒng)電致變色有著難以逾越的技術(shù)屏障，阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。“張曉安及其團(tuán)隊(duì)最近的科研成果令人振奮，他們打破了傳統(tǒng)電致變色材料結(jié)構(gòu)模式，巧妙地將‘電致酸堿的可逆調(diào)控’與酸堿染料相結(jié)合，展示了超高著色效率（1240 cm2/C，是傳統(tǒng)電致變色顯示3倍以上）、極長(zhǎng)記憶性能，得到了超省電的高性能電致變色顯示。”

“這一全新的電致變色材料設(shè)計(jì)思路以及顯示器在國(guó)際上首次提出和成功展示，真正體現(xiàn)了中國(guó)科技發(fā)展的原始創(chuàng)新性。相信在不遠(yuǎn)的將來，電致變色技術(shù)將實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)、超省電的電子顯示目標(biāo)，真正應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。”孟鴻說。