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  9月9日，國際頂級學術期刊《自然-材料》雜志上刊登的文章顯示，吉林大學張曉安教授科研團隊在新型電致變色材料和雙穩(wěn)態(tài)顯示技術領域又有全新的重大突破。這一研究成果與人類生活密切相關，其不傷眼、超省電的顯示模式將帶給人們?nèi)碌囊曈X體驗并助力社會可持續(xù)發(fā)展。

  當代主流顯示技術（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，長時間使用時不僅耗電多，而且強光直射人眼視網(wǎng)膜，對眼睛傷害較大。所以，解決電子設備“高能耗、能源和資源利用率低”已成為世界難題。

  盡管全球眾多杰出科研團隊致力于相關電致變色（EC）材料和技術的研發(fā)，并不斷取得可喜成果和不斷完善。然而，整體相關領域的產(chǎn)業(yè)化進展一直不盡人意。其主要原因是，已知的相關材料和技術僅能部分滿足當下顯示的要求，整體綜合性能卻無法真正滿足高端電子顯示所需。色彩單調(diào)、色調(diào)純度不佳、色彩對比度和分辨率低、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）、材料和器件的化學穩(wěn)定性不夠理想等當下難以解決的綜合性能不佳的問題，使其進一步研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進面臨巨大挑戰(zhàn)。上述諸多技術瓶頸，恰恰是由于傳統(tǒng)電致變色的反應機制和材料制備工藝所致。如何真正實現(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）顯示是科學家們夢寐以求的理想和目標。

  吉林大學張曉安教授科研團隊瞄準這一重大國際需求，通過探索非傳統(tǒng)的功能仿生方式，另辟蹊徑、攻克難關，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)表在國際權威學術刊物《自然-通訊》上，基于該團隊提出的“電致酸/堿”方法，率先展示了具有電致變色性能的功能仿生超分子材料體系，并以此成功構建了幾種前景廣泛的電子器件，展示了其給電刺激響應速度快、超級省電的潛能。

圖1.雙穩(wěn)態(tài)電致變色體系的機理、性質(zhì)和應用

  之后，科研團隊進一步設計并開發(fā)出全新的高分子電致變色材料，較之前的對比度、穩(wěn)定性、雙穩(wěn)態(tài)等性能方面都有新進展、新突破，更具產(chǎn)業(yè)化前景，并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簽（ESL）（或電子廣告屏）上的潛在應用，其科研成果于2019年9月在《自然-材料》上發(fā)表。

圖2.論文截圖

  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比如著色效率（1240 cm²/C）、雙穩(wěn)態(tài)性能均已超過現(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，其簡化的生產(chǎn)工藝也有助于該類材料未來的產(chǎn)業(yè)化和市場化。例如，其電子顯示的信息（圖像）在閱讀和長時間保持的時候不耗電，只有在翻頁（信息切換）的時候才略微耗電，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)定長達一個月，這是已知最佳的雙穩(wěn)態(tài)性能。該材料還具有超高的顏色對比度和著色效率；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，團隊開發(fā)出了黑色、品紅色、黃色和藍色等幾種較為理想的電子顯示常用的顏色。

  與當下市場常見的顯示技術（液晶等）相比，其最大優(yōu)勢是“超級省電、色彩柔和、視覺感舒適”。該技術的“超級省電”特性意味著采用該技術后未來的電子設備的能耗將會大大降低，甚至可持續(xù)使用幾周無需充電。另外，由于其不存在強光直入眼底而傷害視網(wǎng)膜等問題，此類電子產(chǎn)品的普及不僅會使人們的視覺體驗大大提高，更將使因電子閱讀導致的當下越演越烈的全球眼疾風暴得到明顯遏制。

  這一超級省電顯示技術的獨到之處在于，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態(tài)穩(wěn)定的超分子工作原理，巧妙地設計了電誘發(fā)分子酸堿性的可逆變化，并以此來實現(xiàn)功能染料的顏色變化和持續(xù)穩(wěn)定性。

  張曉安教授介紹說，這一“功能仿生”在顯示領域的應用探索無疑只是一個起點，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和理想電致變色材料的探索，推進了其在未來顯示領域的應用。更重要的是，其獨特的仿生設計原理、突破性的科技創(chuàng)新進展和科學認知收獲，會激勵和啟發(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，拓展其在未來的雙穩(wěn)態(tài)顯示、醫(yī)學檢測和新藥開發(fā)、化學催化等領域的應用，推動各種“高效低耗”、“對健康和環(huán)境友善”的新型電子設備的蓬勃發(fā)展。

  發(fā)表于《自然-通訊》的科研成果第一作者為吉林大學在讀博士研究生張蔚然和王曉君博士；發(fā)表于《自然-材料》的科研成果第一作者為吉林大學在讀博士研究生王宇洋、王朔和王曉君博士；兩項科研成果的通訊作者均為吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的張曉安教授和化學學院的張宇模副教授，吉林大學為第一完成單位。該項工作受到吉林大學杰出人才啟動基金、國家自然科學基金委（No. 21602075, 21875087）、吉林省青年人才托舉工程和優(yōu)秀青年人才基金的支持。

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-019-09556-5

  https://www.nature.com/articles/s41563-019-0471-8