不傷眼、超省電、更具產(chǎn)業(yè)化！——我院張曉安科研團(tuán)隊(duì)在潛在的“下一代顯示材料和技術(shù)”領(lǐng)域又有新突破
9月9日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然-材料》雜志上刊登的文章顯示，吉林大學(xué)張曉安教授科研團(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)域又有全新的重大突破。這一研究成果與人類生活密切相關(guān)，其不傷眼、超省電的顯示模式將帶給人們?nèi)碌囊曈X體驗(yàn)并助力社會(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，長時(shí)間使用時(shí)不僅耗電多，而且強(qiáng)光直射人眼視網(wǎng)膜，對眼睛傷害較大。所以，解決電子設(shè)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(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和不斷完善。然而，整體相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展一直不盡人意。其主要原因是，已知的相關(guān)材料和技術(shù)僅能部分滿足當(dāng)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(xué)穩(wěn)定性不夠理想等當(dāng)下難以解決的綜合性能不佳的問題，使其進(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)家們夢寐以求的理想和目標(biāo)。
吉林大學(xué)張曉安教授科研團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)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(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)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《自然-通訊》上，基于該團(tuán)隊(duì)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(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。
圖1.雙穩(wěn)態(tài)電致變色體系的機(jī)理、性質(zhì)和應(yīng)用
之后，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，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(biāo)簽（ESL）（或電子廣告屏）上的潛在應(yīng)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(biāo)，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(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)定長達(dá)一個(gè)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(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。
與當(dāng)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(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。另外，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，更將使因電子閱讀導(dǎo)致的當(dāng)下越演越烈的全球眼疾風(fēng)暴得到明顯遏制。
這一超級(jí)省電顯示技術(shù)的獨(dú)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(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。
張曉安教授介紹說，這一“功能仿生”在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用探索無疑只是一個(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)原理、突破性的科技創(chuàng)新進(jìn)展和科學(xué)認(rèn)知收獲，會(huì)激勵(lì)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(shù)，拓展其在未來的雙穩(wěn)態(tài)顯示、醫(yī)學(xué)檢測和新藥開發(fā)、化學(xué)催化等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)各種“高效低耗”、“對健康和環(huán)境友善”的新型電子設(shè)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(xué)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(xué)在讀博士研究生王宇洋、王朔和王曉君博士；兩項(xiàng)科研成果的通訊作者均為吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張曉安教授和化學(xué)學(xué)院的張宇模副教授，吉林大學(xué)為第一完成單位。該項(xiàng)工作受到吉林大學(xué)杰出人才啟動(dòng)基金、國家自然科學(xué)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。
此項(xiàng)成果的詳細(xì)內(nèi)容請見：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09556-5；https://www.nature.com/articles/s41563-019-0471-8；
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