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態顯示技術領域再次取得新成果。這一研究成果與人類生活密切相關——不傷眼、超省電的顯示模式，有望在帶給人們全新的視覺體驗的同時，助力社會可持續發展。

當代主流顯示技術（液晶、LED等）只有在持續給電的情況下才能維持圖像、文字信息的可視化和持續閱讀。“長時間使用不僅耗電多，而且強光直射人眼視網膜，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電致變色（EC）材料和技術的研發，并不斷取得可喜成果，然而，相關的產業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材料和技術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、色調純度不佳、色彩對比度和分辨率低、變色速度遲緩、雙穩態性能差（色彩不夠穩定、需頻繁刷新和耗電維持）、材料和器件的化學穩定性不夠理想等綜合性能不佳的問題，當下難以解決，這也使該領域的進一步研發和產業化推進面臨巨大挑戰。

上述諸多技術瓶頸，恰恰是由于傳統電致變色的反應機制和材料制備工藝所致。如何真正實現符合要求的“高度節能、視力友善、色彩艷麗”的雙穩態電致變色（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的功能仿生方式，另辟蹊徑攻克難關，終于研發出具有優異雙穩態顯示性能的全新電致變色材料。2019年4月，這一科研成果發表在《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。

“已知最佳的雙穩態性能”

此后，科研團隊進一步設計并開發出全新的高分子電致變色材料，較之前的對比度、穩定性、雙穩態等性能方面都有新進展、新突破，更具產業化前景。團隊還展示了該類多色雙穩態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》上發表。

張曉安向《中國科學報》介紹說，與傳統電致變色材料相比，這類新型電致變色材料的主要性能如著色效率（1240 cm2/C）、雙穩態性能等，均已超過現有電致變色材料的最佳值。并且，其優異的整體綜合性能越來越接近雙穩態顯示的理想目標，其簡化的生產工藝也有助于該類材料未來的產業化和市場化。

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電壓消除后，其無色狀態可以保持穩定長達一個月。

“這是已知最佳的雙穩態性能。”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；出色的循環可逆性。為了滿足多色顯示的需求，團隊開發出了黑色、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（液晶等）相比，其最大優勢是“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膜等問題，此類電子產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，該顯示技術的獨到之處還在于，其模仿了生命體系中質子和電子相互作用和維持分子動態穩定的“超分子工作原理”，巧妙地設計了電誘發分子酸堿性的可逆變化，并以此來實現功能染料的顏色變化和持續穩定性。

顯示領域應用探索的起點

張曉安介紹說，這一“功能仿生”在顯示領域的應用探索無疑是一個起點。

“其所展示的新型雙穩態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，其獨特的仿生設計理念，會啟發更多的科技工作者投身其中，開發出更多更好的功能仿生材料和技術。”張曉安表示，這將拓展其在未來的雙穩態顯示、醫學檢測和新藥開發、化學催化等領域的應用，推動各種“高效低耗”“對健康和環境友善”的新型電子設備的蓬勃發展。

“電致變色技術在電子顯示領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等主流顯示技術所不具備的獨特優勢：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；雙穩態的工作模式、非常省電。

孟鴻向《中國科學報》表示，盡管幾十年來國內外許多杰出團隊致力于有機電致變色材料的開發和產業化，但由于傳統電致變色有著難以逾越的技術屏障，阻礙了其產業化進程。“張曉安及其團隊最近的科研成果令人振奮，他們打破了傳統電致變色材料結構模式，巧妙地將‘電致酸堿的可逆調控’與酸堿染料相結合，展示了超高著色效率（1240 cm2/C，是傳統電致變色顯示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，真正體現了中國科技發展的原始創新性。相信在不遠的將來，電致變色技術將實現雙穩態、超省電的電子顯示目標，真正應用于越來越多的領域。”孟鴻說。