新型電致變色薄膜油墨：更安全、應用領域更廣！

導讀

最近，美國喬治亞理工學院的科研人員開發出一種水基的電致變色薄膜油墨和一種更加安全的新製造方案，使得電致變色薄膜可以更加安全地廣泛應用於各個場景。

關鍵字

化學、電致變色、感測器

背景

對於司機來說，夜間行車最大的安全隱患就是視線問題，有時候並不是由於光線不好，而卻是由於其他車輛的車頭遠光的影響。遇上不規矩的司機，在後方長期開著遠光燈行駛，車內後視鏡直接將強光反射入了眼睛，刺眼的強光直接影響到行車的安全，讓人深惡痛絕。

然而，有一種後視鏡可以自動將光線轉化為暗藍色，這是由於一種電致變色薄膜在起作用。在製造領域，電致變色薄膜通常以油墨的形式，塗覆於其他材料之上，例如鏡面。它們通常存在於易燃，且含有有毒物質的溶液中，從而無法適應許多依賴於列印和噴塗來設置顏色的領域。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

創新

最近，美國喬治亞理工學院的科研人員開發出一種水基的電致變色薄膜油墨，可以更加安全地廣泛應用於各個場景。在這些應用場景中，各種安全防護措施和防護設備要按照標準處理易揮發的有機化合物，往往是不可能的。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

另外，喬治亞理工學院的化學家們開發出一種更加安全的新方法，製造這些剪切的薄膜更加簡單。這些薄膜會在一小股微弱的電流作用下，改變顏色。以前這些薄膜無法應用於一些工業領域，而由於這個新方法的出現，它將可以用於這些領域。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

研究人員將有關方案細節以及如何達到標準的論文，發表於2017年8月16日的《ACS Central Science》期刊上。

技術

喬治亞理工學院化學和生物化學學院以及材料科學和工程專業的教授 John Reynolds 表示：「人們印刷的地方並不總是位於安全的化學環境中。」 所以，Reynolds 和帶來水基方案的論文首作者 Brian Schmatz，著手製造對於日常環境來說更加安全的電致變色薄膜油墨。

然而要實現這個目標，還得克服一些障礙。成品的電氣操作特性必須可以與那些用於有機溶液中的薄膜相媲美，而且雖然它是基於水生產的，也必須可以防水。Schmatz 的方案也需要具有邏輯和財務上的可行性，才可以便於製造商進行製造。

這就是許多自動降低亮度的後視鏡的工作原理：你身後汽車的遠光燈發出的強光照射到光線感測器上，這種感測器會對鏡子施加一個微弱的電場，從而激活了顏色變化，或者說是電致變色，從而使得薄膜切換到深色調。

Reynolds 實驗室的電致變色薄膜是由共軛聚合物、富有色彩的和電活性的有機分子製成。它們很容易就會釋放出一些更加鬆散連接的電子，而且當他們這麼做的時候，顏色會發生變化。

（圖片來源：喬治亞理工學院 ）

如果彩色薄膜處於一個清澈的表面上，當顏色消失時，表面會變得更加清澈。這種表面必須是導電的，所以微小的電壓（差不多1伏）可以用於迫使電子離開共軛聚合物，或者幫助它們跳回來。

色彩不一定是灰色、藍色、褐色或者其他刻板的顏色。Reynolds 稱，「我們可以製造出任何顏色。」

由於先前的油墨的有機溶劑，在過去應用於電致變色薄膜，具有顯著的安全性需求。如果任務巨大的話（也就是說，一個公司想要用電致變色薄膜覆蓋辦公室大樓的窗戶），其成本會很高。Schmatz 稱：

「大多數研究實驗室使用氯苯作為溶劑。它是有毒的，而且也是致癌的，有輕微的揮發性。所以，這並不是人們想要大規模使用的。」

同時，人們也會在他們的工作場所，很容易發現令人討厭的有機化學物質的氣味。有些有機溶劑的氣味，大多數人都曾體驗過的，例如有煤油、汽油、或酒精。

水作為溶劑來說，要安全的多，但是它也會面臨其他挑戰。共軛聚合物在有機溶劑中產生，而且天生地不溶於水。同時，由基於水的油墨印刷的薄膜可以能夠通過雨水清洗，或者在高濕度環境中塗抹。

Schmatz 的發明完美地結合了有機溶劑和水溶劑二者的優點。

首先，共軛聚合物在有機溶劑中產生，從而確保製成高品質材料，這也與化學工業的實踐一致。Schmatz 表示：

「化學公司確實做了很多這種處理，而且它的優點是保持原樣，所以這類公司能夠保持他們原有的做法，並且更加容易地添加這種產品。」

但是，Schmatz 改變了共軛聚合物（墨水的活性成分）。也就是說，這種成分通常不是水溶性的，然而它會變得真正溶解於水。他說：

「我們在聚合物中嵌入了一個化學觸發器。它通過高pH值的水洗後激活，可以將有機可溶性聚合物轉變成一種水溶性聚合電解質。我們進行所有這些工作的理由就是，我們能夠在有機溶劑中生產聚合物，但是可以從基於水的油墨中列印這種聚合物。」

為了保證薄膜不被弄髒，印刷後可以正常工作，而且製作完成的時候功能完好，Schmatz 通過向電致變色薄膜上照射紫外線光，將添加的化學觸發器從共軛聚合物中切下。

水溶性的化學鏈然後會變成一種簡單的殘渣，可以被擦拭和沖洗掉。剩下的是一種魯棒的、純共軛聚合物薄膜，它將不再溶於水或者有機溶劑。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

價值

如果化學工藝向著生產的方向發展，未來將看到更多的智能窗戶、處方眼鏡、甚至紡織品，都可以通過一個按鍵或者光探測開關，切換顏色和明暗程度。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

Reynolds 設想電致變色薄膜可以位於各種材料之上，包括一些玻璃或者塑料。「你將它用於迷彩服，例如通過正確的紡織品，將感測器連接於電池，並且讓它切換顏色來匹配士兵周圍環境的亮度和明暗的變化。」

除了電致變色，這些共軛聚合物也可以用於印刷晶體管、太陽能電池、化學和生物感測器、發光顯示器和生物電子。Reynold 的研究小組已經具有一些列的交付方法，測試共軛聚合物的應用。

（圖片來源：喬治亞理工學院 / Rob Felt）

參考資料

【1】http://www.news.gatech.edu/2017/08/16/spray-electric-rainbows-making-safer-electrochromic-inks#more_photos

【2】Brian Schmatz, Zhibo Yuan, Augustus W. Lang, Jeff L. Hernandez, Elsa Reichmanis, John R. Reynolds. Aqueous Processing for Printed Organic Electronics: Conjugated Polymers with Multistage Cleavable Side Chains. ACS Central Science, 2017; DOI: 10.1021/acscentsci.7b00232

更多前沿技術和創新產品，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！