張曉安團隊在實驗室觀察討論實驗效果

■本報通訊員 劉颯 記者 陳彬

國際學術(shù)期刊《自然—材料》雜志近日刊登的文章顯示，吉林大學教授張曉安科研團隊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體驗的同時，助力社會可持續(xù)發(fā)展。

當代主流顯示技術(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。“長時間使用不僅耗電多，而且強光直射人眼視網(wǎng)膜，對眼睛傷害較大。”張曉安對《中國科學報》說，解決電子設備 “對眼不友好、高能耗、能源利用率低”已成為行業(yè)難題。

夢寐以求的目標

盡管全球眾多杰出科研團隊致力于相關(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)化進展一直不盡人意。

張曉安認為，這主要是因為已知的相關(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)定性不夠理想等綜合性能不佳的問題，當下難以解決，這也使該領(lǐng)域的進一步研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進面臨巨大挑戰(zhàn)。

上述諸多技術(shù)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，是科學家夢寐以求的目標。

瞄準這一重大需求，張曉安科研團隊通過探索非傳統(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。

基于該團隊提出的“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速度快、超級省電的潛能。

“已知最佳的雙穩(wěn)態(tài)性能”

此后，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。團隊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簽（ESL）及電子廣告屏上的潛在應用，這項成果于2019年9月在《自然—材料》上發(fā)表。

張曉安向《中國科學報》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，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。”張曉安說。

此外，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。

張曉安提出，與當下市場常見的顯示技術(shù)（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(shù)的“超級省電”特性意味著采用該技術(shù)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。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，更會使電子閱讀導致的當下越演越烈的全球眼疾風暴得到遏制。

團隊研究人員介紹說，該顯示技術(shù)的獨到之處還在于，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。

顯示領(lǐng)域應用探索的起點

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

“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(guān)和理想電致變色材料的探索，推進了其在未來顯示領(lǐng)域的應用；更重要的是，其獨特的仿生設計理念，會啟發(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)學檢測和新藥開發(fā)、化學催化等領(lǐng)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。

“電致變色技術(shù)在電子顯示領(lǐng)域有非常好的應用前景。”北京大學深圳研究生院的新材料學院副院長、教授孟鴻點評道，這是因為，它有著目前液晶、OLED等主流顯示技術(shù)所不具備的獨特優(yōu)勢：顯示器可利用外界光源，接近自然顯示效果；無強光線直射入眼，閱讀舒適，對眼健康極為友善；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《中國科學報》表示，盡管幾十年來國內(nèi)外許多杰出團隊致力于有機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)化進程。“張曉安及其團隊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計思路以及顯示器在國際上首次提出和成功展示，真正體現(xiàn)了中國科技發(fā)展的原始創(chuàng)新性。相信在不遠的將來，電致變色技術(shù)將實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)、超省電的電子顯示目標，真正應用于越來越多的領(lǐng)域。”孟鴻說。