新型电致变色薄膜油墨：更安全、应用领域更广！

导读

最近，美国佐治亚理工学院的科研人员开发出一种水基的电致变色薄膜油墨和一种更加安全的新制造方案，使得电致变色薄膜可以更加安全地广泛应用于各个场景。

关键字

化学、电致变色、传感器

背景

对于司机来说，夜间行车最大的安全隐患就是视线问题，有时候并不是由于光线不好，而却是由于其他车辆的车头远光的影响。遇上不规矩的司机，在后方长期开着远光灯行驶，车内后视镜直接将强光反射入了眼睛，刺眼的强光直接影响到行车的安全，让人深恶痛绝。

然而，有一种后视镜可以自动将光线转化为暗蓝色，这是由于一种电致变色薄膜在起作用。在制造领域，电致变色薄膜通常以油墨的形式，涂覆于其他材料之上，例如镜面。它们通常存在于易燃，且含有有毒物质的溶液中，从而无法适应许多依赖于打印和喷涂来设置颜色的领域。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

创新

最近，美国佐治亚理工学院的科研人员开发出一种水基的电致变色薄膜油墨，可以更加安全地广泛应用于各个场景。在这些应用场景中，各种安全防护措施和防护设备要按照标准处理易挥发的有机化合物，往往是不可能的。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

另外，佐治亚理工学院的化学家们开发出一种更加安全的新方法，制造这些剪切的薄膜更加简单。这些薄膜会在一小股微弱的电流作用下，改变颜色。以前这些薄膜无法应用于一些工业领域，而由于这个新方法的出现，它将可以用于这些领域。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

研究人员将有关方案细节以及如何达到标准的论文，发表于2017年8月16日的《ACS Central Science》期刊上。

技术

佐治亚理工学院化学和生物化学学院以及材料科学和工程专业的教授 John Reynolds 表示：“人们印刷的地方并不总是位于安全的化学环境中。” 所以，Reynolds 和带来水基方案的论文首作者 Brian Schmatz，着手制造对于日常环境来说更加安全的电致变色薄膜油墨。

然而要实现这个目标，还得克服一些障碍。成品的电气操作特性必须可以与那些用于有机溶液中的薄膜相媲美，而且虽然它是基于水生产的，也必须可以防水。Schmatz 的方案也需要具有逻辑和财务上的可行性，才可以便于制造商进行制造。

这就是许多自动降低亮度的后视镜的工作原理：你身后汽车的远光灯发出的强光照射到光线传感器上，这种传感器会对镜子施加一个微弱的电场，从而激活了颜色变化，或者说是电致变色，从而使得薄膜切换到深色调。

Reynolds 实验室的电致变色薄膜是由共轭聚合物、富有色彩的和电活性的有机分子制成。它们很容易就会释放出一些更加松散连接的电子，而且当他们这么做的时候，颜色会发生变化。

（图片来源：佐治亚理工学院）

如果彩色薄膜处于一个清澈的表面上，当颜色消失时，表面会变得更加清澈。这种表面必须是导电的，所以微小的电压（差不多1伏）可以用于迫使电子离开共轭聚合物，或者帮助它们跳回来。

色彩不一定是灰色、蓝色、褐色或者其他刻板的颜色。Reynolds 称，“我们可以制造出任何颜色。”

由于先前的油墨的有机溶剂，在过去应用于电致变色薄膜，具有显著的安全性需求。如果任务巨大的话（也就是说，一个公司想要用电致变色薄膜覆盖办公室大楼的窗户），其成本会很高。Schmatz 称：

“大多数研究实验室使用氯苯作为溶剂。它是有毒的，而且也是致癌的，有轻微的挥发性。所以，这并不是人们想要大规模使用的。”

同时，人们也会在他们的工作场所，很容易发现令人讨厌的有机化学物质的气味。有些有机溶剂的气味，大多数人都曾体验过的，例如有煤油、汽油、或酒精。

水作为溶剂来说，要安全的多，但是它也会面临其他挑战。共轭聚合物在有机溶剂中产生，而且天生地不溶于水。同时，由基于水的油墨印刷的薄膜可以能够通过雨水清洗，或者在高湿度环境中涂抹。

Schmatz 的发明完美地结合了有机溶剂和水溶剂二者的优点。

首先，共轭聚合物在有机溶剂中产生，从而确保制成高品质材料，这也与化学工业的实践一致。Schmatz 表示：

“化学公司确实做了很多这种处理，而且它的优点是保持原样，所以这类公司能够保持他们原有的做法，并且更加容易地添加这种产品。”

但是，Schmatz 改变了共轭聚合物（墨水的活性成分）。也就是说，这种成分通常不是水溶性的，然而它会变得真正溶解于水。他说：

“我们在聚合物中嵌入了一个化学触发器。它通过高pH值的水洗后激活，可以将有机可溶性聚合物转变成一种水溶性聚合电解质。我们进行所有这些工作的理由就是，我们能够在有机溶剂中生产聚合物，但是可以从基于水的油墨中打印这种聚合物。”

为了保证薄膜不被弄脏，印刷后可以正常工作，而且制作完成的时候功能完好，Schmatz 通过向电致变色薄膜上照射紫外线光，将添加的化学触发器从共轭聚合物中切下。

水溶性的化学链然后会变成一种简单的残渣，可以被擦拭和冲洗掉。剩下的是一种鲁棒的、纯共轭聚合物薄膜，它将不再溶于水或者有机溶剂。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

价值

如果化学工艺向着生产的方向发展，未来将看到更多的智能窗户、处方眼镜、甚至纺织品，都可以通过一个按键或者光探测开关，切换颜色和明暗程度。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

Reynolds 设想电致变色薄膜可以位于各种材料之上，包括一些玻璃或者塑料。“你将它用于迷彩服，例如通过正确的纺织品，将传感器连接于电池，并且让它切换颜色来匹配士兵周围环境的亮度和明暗的变化。”

除了电致变色，这些共轭聚合物也可以用于印刷晶体管、太阳能电池、化学和生物传感器、发光显示器和生物电子。Reynold 的研究小组已经具有一些列的交付方法，测试共轭聚合物的应用。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

参考资料

【1】http://www.news.gatech.edu/2017/08/16/spray-electric-rainbows-making-safer-electrochromic-inks#more_photos

【2】Brian Schmatz, Zhibo Yuan, Augustus W. Lang, Jeff L. Hernandez, Elsa Reichmanis, John R. Reynolds. Aqueous Processing for Printed Organic Electronics: Conjugated Polymers with Multistage Cleavable Side Chains. ACS Central Science, 2017; DOI: 10.1021/acscentsci.7b00232

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