导读

基于已制得的彩色MOF微粒，通过聚乙烯亚胺（PEI）的表面改性，首次构建了蓝色、红棕色、绿色和紫色的高荷质比带电胶体粒子，并研究它们在非极性溶剂中的电泳性质，实现了在单色、双色电泳显示中的应用，示意图如图1所示。

该成果以“Colored polymer-reinforced metal-organic framework microparticles with high charge-to-mass ratio for electrophoretic display”为题，发表在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上。

研究内容

电泳显示（EPD）作为一种主流的反射式显示技术，具有响应快、双稳态、能耗低、可靠性高、视角宽广、绿色护眼等显著优势。目前，黑白电泳显示器已成功地实现商业化，但在色彩多样性和刷新时间方面存在明显不足，极大地限制了其在彩色视频领域的发展应用。主要挑战就在于电泳粒子本身的色彩与多粒子体系的电场可控性。

众所周知，金属-有机骨架（MOF）是由金属离子和有机配体通过配位键形成的多孔有序组装杂化材料。通过调节关键成分，它可以具有完全不同的物理化学性质，在催化、吸附、分离、传感等领域均得到了广泛的应用。

值得注意的是，MOF这种精确可调性表现在多个方面，例如易于改性、形态可控、孔隙率高、密度可调等。而且，它电荷密度高，具有鲜艳且稳定的色彩。这作为彩色电泳粒子无疑具有天然的优势。

因此，本研究中制备了4种典型的彩色MOF微粒，并利用聚乙烯亚胺（PEI）的表面修饰，首次构建了高荷质比的蓝色、红褐色、绿色和紫色MOF胶体粒子，并实现了它们在单色、双色显示中的应用（如图1所示）。

图1 PEI增强彩色MOF电泳粒子的制备路线示意图(a)和电泳显示样品盒的制作过程示意图(b)

其间，研究系统地表征并分析了这些粒子在非极性溶剂中的带电性质，测试出它们在PEI表面修饰前后的Zeta电位分别为-10和+30 mV左右（如图2所示）。这有力地证明了利用静电作用力在MOF的表面修饰聚合物后能有效改变并提高其表面电位。进一步地，研究还用不同性质的聚合物吸附在MOF表面使其具有不同的电性和电荷量，不仅验证了该方法的通用性，而且也展现了该彩色MOF-PEI微粒作为电泳粒子的巨大潜力。

图 2 不同分子量和PEI投料比的MOF和MOF-PEI微颗粒的Zeta电位和电泳迁移率：Cu-BTC和Cu-BTC-PEI (a)， Fe-BTC和Fe-BTC-PEI (b)， Ni-BTC和Ni-BTC-PEI (c)， Co-BTC和Co-BTC-PEI (d)；硅片上的AFM(1)和KPFM图像(2)，相应的Cu-BTC (e)和Cu-BTC- PEI微粒(f)的线扫描表面高度(3)和电势(4)。

为了验证实际电泳效果，研究将单色MOF-PEI电泳粒子与白色TiO2纳米粒子混合形成双色电泳墨水体系。如图3a-d所示，施加-20 V电压时，明显呈浅色，反之则呈现MOF-PEI粒子自身的颜色，且经过1200秒的持续驱动后仍有良好的电泳效果。

图 3 双色电泳显示效果—对两种颜色的 MOF-PEI/TiO2电泳墨水在±20 V电压下 20 秒内的电泳测试，以及相应的颜色坐标：Cu-BTC和Cu-BTC-PEI (a)， Fe-BTC和Fe-BTC-PEI (b)， Ni-BTC和Ni-BTC-PEI (c)， Co-BTC和Co-BTC-PEI (d)。

总结与展望

综上所述，研究首次设计并制备了4种PEI 改性的彩色MOF电泳微粒。结果表明，它们在颜色、荷质比、响应性、稳定性、制备方法以及生产成本等方面均优于其它基于有机颜料和无机颗粒地电泳粒子。这将为彩色电泳显示提供一种简易、创新且价值巨大的技术路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02095-3