慕尼黑大学使智能玻璃的变色速度创纪录

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  据外媒报道,慕尼黑大学(LMU)的化学家开发了一种新材料,使智能电致变色玻璃的变色速度达到创纪录水平。

  想象一下,你在夜晚的高速公路上,天下着雨,后面那辆车闪亮的大前灯晃得你眼花。在这种情况下,如果有一个自动调光后视镜,该多么方便。该后视镜由感光器控制,可以滤掉强烈刺眼的光线。从技术上讲,这一附加器件基于电致变色材料,在施加电压时,其光吸收和颜色会发生变化。

  专家最近发现,除了现有无机电致变色材料外,新一代高度有序的晶格结构也具有这种能力。这种共价有机骨架(简称COF)由人工合成的有机构建块组成,而这些构建块经过适当的组合,会形成晶体和纳米孔网络。通过施加外部电压,使材料发生氧化或还原,从而控制颜色变化。

  该团队现已开发出COF结构,无论从转换速度还是着色效率看,都比无机化合物高很多倍。通过改变分子构建块,可以对COF的材料性质进行大幅度调节。慕尼黑大学和剑桥大学的科学家们正是利用这一点,设计出了理想的COF。主要研究人员Derya Bessinger表示:“我们利用COF的模块化结构原理,使用特定的噻吩异靛蓝( thienoisoindigo)分子设计出了理想的构建块。将这种新组件集成至COF中,可以看出其改善COF性能的强劲能力。例如,有了这种新材料,不仅能吸收波长较短的紫外光或一小部分可见光,而且可以在近红外光谱区域内获得很好的光活性。”

  与此同时,新型COF结构对电化学氧化更为敏感,即使对其施加较低的电压,也足以引起颜色变化,而且完全可逆。此外,这一过程发生的速度非常快,通过氧化来实现完全而明显的颜色变化的响应时间大约是0.38秒,而还原至初始状态大约只需0.2秒。这是世界上速度最快、效率最高的电致变色有机骨架之一。这种高速度要归功于该材料的两种特性:(Ⅰ)COF的导电骨架结构可实现晶格中的快速电子传输;(Ⅱ)得益于优化孔径,周围的电解质溶液可以迅速到达每个角落。这具有重要意义,因为在氧化COF结构中产生的正电荷必须迅速被负电解质离子补偿。另外,长期测试表明,这种材料的稳定性非常高,即使经过200次氧化还原循环,仍能保持性能。

  这些发现将推动新一类高性能电致变色涂层的开发。从目前的应用来看,比如整个建筑外立面的可切换防晒窗和隐私防护窗,这类“智能玻璃”具有广泛的发展前景。

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