张晓安团队在实验室观察讨论实验效果

■本报通讯员 刘飒 记者 陈彬

国际学术期刊《自然—材料》杂志近日刊登的文章显示，吉林大学教授张晓安科研团队在新型电致变色材料和双稳态显示技术领域再次取得新成果。这一研究成果与人类生活密切相关——不伤眼、超省电的显示模式，有望在带给人们全新的视觉体验的同时，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。“长时间使用不仅耗电多，而且强光直射人眼视网膜，对眼睛伤害较大。”张晓安对《中国科学报》说，解决电子设备 “对眼不友好、高能耗、能源利用率低”已成为行业难题。

梦寐以求的目标

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，并不断取得可喜成果，然而，相关的产业化进展一直不尽人意。

张晓安认为，这主要是因为已知的相关材料和技术仅能部分满足显示要求，综合性能却无法真正满足高端电子显示所需。特别是色彩单调、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综合性能不佳的问题，当下难以解决，这也使该领域的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，是科学家梦寐以求的目标。

瞄准这一重大需求，张晓安科研团队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，这一科研成果发表在《自然—通讯》上。

基于该团队提出的“电致酸/碱”方法，论文率先介绍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。

“已知最佳的双稳态性能”

此后，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。团队还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）及电子广告屏上的潜在应用，这项成果于2019年9月在《自然—材料》上发表。

张晓安向《中国科学报》介绍说，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如着色效率（1240 cm2/C）、双稳态性能等，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。”张晓安说。

此外，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。

张晓安提出，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。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，更会使电子阅读导致的当下越演越烈的全球眼疾风暴得到遏制。

团队研究人员介绍说，该显示技术的独到之处还在于，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。

显示领域应用探索的起点

张晓安介绍说，这一“功能仿生”在显示领域的应用探索无疑是一个起点。

“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，其独特的仿生设计理念，会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。”张晓安表示，这将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。

“电致变色技术在电子显示领域有非常好的应用前景。”北京大学深圳研究生院的新材料学院副院长、教授孟鸿点评道，这是因为，它有着目前液晶、OLED等主流显示技术所不具备的独特优势：显示器可利用外界光源，接近自然显示效果；无强光线直射入眼，阅读舒适，对眼健康极为友善；超薄轻便、可柔性；能量利用率高；双稳态的工作模式、非常省电。

孟鸿向《中国科学报》表示，尽管几十年来国内外许多杰出团队致力于有机电致变色材料的开发和产业化，但由于传统电致变色有着难以逾越的技术屏障，阻碍了其产业化进程。“张晓安及其团队最近的科研成果令人振奋，他们打破了传统电致变色材料结构模式，巧妙地将‘电致酸碱的可逆调控’与酸碱染料相结合，展示了超高着色效率（1240 cm2/C，是传统电致变色显示3倍以上）、极长记忆性能，得到了超省电的高性能电致变色显示。”

“这一全新的电致变色材料设计思路以及显示器在国际上首次提出和成功展示，真正体现了中国科技发展的原始创新性。相信在不远的将来，电致变色技术将实现双稳态、超省电的电子显示目标，真正应用于越来越多的领域。”孟鸿说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09556-5

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0471-8