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不伤眼、超省电、更具产业化!

——吉林大学张晓安科研团队在潜在的“下一代显示材料和技术”领域又有新突破

发布日期:2019-09-11     作者:刘飒      编辑:潘懿     点击:

【文/吉林大学报记者 刘飒】9月9日,国际顶级学术期刊《自然-材料》杂志上刊登的文章显示,吉林大学张晓安教授科研团队在新型电致变色材料和双稳态显示技术领域又有新的重大突破。这一研究成果与人类生活密切相关,其不伤眼、超省电的显示模式将带给人们全新的视觉体验并助力社会可持续发展。

当代主流显示技术(液晶、LED等)只有在持续给电的情况下才能维持图像、文字信息的可视化和持续阅读,长时间使用时不仅耗电多,而且强光直射人眼视网膜,对眼睛伤害较大。所以,解决电子设备“高能耗、能源和资源利用率低”已成为世界难题。

尽管全球众多杰出科研团队致力于相关电致变色(EC)材料和技术的研发,并不断取得成果和不断完善。然而,整体相关领域的产业化进展一直不尽人意。其主要原因是,已知的相关材料和技术仅能部分满足当下显示的要求,整体综合性能却无法真正满足高端电子显示所需。色彩单调、色调纯度不佳、色彩对比度和分辨率低、变色速度迟缓、双稳态性能差(色彩不够稳定、需频繁刷新和耗电维持)、材料和器件的化学稳定性不够理想等当下难以解决的综合性能不佳的问题,使其进一步研发和产业化推进面临巨大挑战。上述诸多技术瓶颈,恰恰是由于传统电致变色的反应机制和材料制备工艺所致。如何真正实现符合要求的“高度节能、视力友善、色彩艳丽”的双稳态电致变色(尤其是符合要求的多色)显示是科学家们梦寐以求的理想和目标。

张晓安教授科研团队瞄准这一重大国际需求,通过探索非传统的功能仿生方式,另辟蹊径、攻克难关,终于研发出具有优异双稳态显示性能的全新电致变色材料。2019年4月,这一科研成果在国际权威学术刊物《自然-通讯》上发表,基于该团队提出的“电致酸/碱”方法,率先展示了具有电致变色性能的功能仿生超分子材料体系,并以此成功构建了几种前景广泛的电子器件,展示了其给电刺激响应速度快、超级省电的潜能。

图1. 双稳态电致变色体系的机理、性质和应用。

之后,科研团队进一步设计并开发出全新的高分子电致变色材料,较之前的对比度、稳定性、双稳态等性能方面都有新进展、新突破,更具产业化前景,并展示了该类多色双稳态电致变色器件在商店货架的电子标签(ESL)(或电子广告屏)上的潜在应用,其科研成果于2019年9月在《自然-材料》上发表。

图2. 论文截图。

与传统电致变色材料相比,这类新型电致变色材料的主要性能比如着色效率(1240 cm2/C)、双稳态性能均已超过现有电致变色材料的最佳值,并且其优异的整体综合性能越来越接近双稳态显示的理想目标,其简化的生产工艺也有助于该类材料未来的产业化和市场化。例如,其电子显示的信息(图像)在阅读和长时间保持的时候不耗电,只有在翻页(信息切换)的时候才略微耗电,其所展示的颜色和信息可以保持清晰稳定两天以上而无需任何刷新和耗电维持,一旦该信息通过逆转电压消除后,其无色状态可以保持稳定长达一个月,这是已知最佳的双稳态性能。该材料还具有超高的颜色对比度和着色效率;出色的透光率变化和较快的信息(颜色)切换速度;出色的循环可逆性。为了满足多色显示的需求,团队开发出了黑色、品红色、黄色和蓝色等几种较为理想的电子显示常用的颜色。

与当下市场常见的显示技术(液晶等)相比,其最大优势是“超级省电、色彩柔和、视觉感舒适”。该技术的“超级省电”特性意味着采用该技术后未来的电子设备的能耗将会大大降低,甚至可持续使用几周无需充电。另外,由于其不存在强光直入眼底而伤害视网膜等问题,此类电子产品的普及不仅会使人们的视觉体验大大提高,更将使因电子阅读导致的当下越演越烈的全球眼疾风暴得到明显遏制。

这一超级省电显示技术的独到之处在于,其模仿了生命体系中质子和电子相互作用和维持分子动态稳定的超分子工作原理,巧妙地设计了电诱发分子酸碱性的可逆变化,并以此来实现功能染料的颜色变化和持续稳定性。

张晓安教授介绍说,这一“功能仿生”在显示领域的应用探索无疑只是一个起点,其所展示的新型双稳态电致变色材料和器件原型,不仅丰富了分子开关和理想电致变色材料的探索,推进了其在未来显示领域的应用。更重要的是,其独特的仿生设计原理、突破性的科技创新进展和科学认知收获,会激励和启发更多的科技工作者投身其中,开发出更多更好的功能仿生材料和技术,拓展其在未来的双稳态显示、医学检测和新药开发、化学催化等领域的应用,推动各种“高效低耗”、“对健康和环境友善”的新型电子设备的蓬勃发展。

发表于《自然-通讯》的科研成果第一作者为吉林大学在读博士研究生张蔚然和王晓君博士;发表于《自然-材料》的科研成果第一作者为吉林大学在读博士研究生王宇洋、王朔和王晓君博士;两项科研成果的通讯作者均为吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张晓安教授和化学学院的张宇模副教授,吉林大学为第一完成单位。该项工作受到吉林大学杰出人才启动基金、国家自然科学基金委(No. 21602075, 21875087)、吉林省青年人才托举工程和优秀青年人才基金的支持。

此项成果的详细内容请见:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09556-5

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0471-8

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