紙張的出現(xiàn)極大地促進了人類文明的發(fā)展，同時也導致了嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）由于其具有環(huán)境友好、生物相容和溶劑誘導變色等特點，在可重寫紙方面具有潛在應用。在PEDOT 膜上進行信息傳遞可基于多種刺激條件，例如光、熱、電、壓力和水。其中，水是最理想的觸發(fā)條件，因為它清潔、環(huán)保且成本較低。高質量可重寫紙的獲得通常需要三個條件：墨水在紙表面受控擴散；墨水書寫留下痕跡進行信息傳遞；紙的可回收性。然而，PEDOT薄膜在空氣中是親水/親油的，墨水在PEDOT膜上的過度擴散會大大降低書寫質量和信息傳輸。因此，PEDOT薄膜的浸潤性調(diào)控對于它們作為可重寫紙的應用至關重要。目前已發(fā)展了一系列策略用于調(diào)控PEDOT 膜表面浸潤性，例如改變化學成分（引入親水/疏水離子和接枝取代基）、構建微/納米結構、制備復合層體系。但是這些方法通常需要預先設計化學反應，制備過程復雜且難以實現(xiàn)大面積。因此，發(fā)展一種簡單策略調(diào)控 PEDOT 薄膜表面浸潤性對于可重寫 PEDOT 紙的應用非常重要。
在以前的工作中，中科院理化技術研究所仿生實驗室江雷院士團隊王京霞研究員在PEDOT光子晶體上實現(xiàn)了多彩圖案的水寫和電擦除 （Adv. Funct. Mater., 2019, 1808473）。他們通過電聚合制備聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）光子晶體（PEDOT-IO-0），揭示了所制備PEDOT-IO具有四種狀態(tài)和三種不同的開關形式：第一個開關是從PEDOT-IO-0到PEDOT-IO-I（中性態(tài)）的不可逆的還原過程。第二個開關是PEDOT-IO-I（中性態(tài)）和PEDOT-IO-I（氧化態(tài)）之間的可逆電化學過程，伴隨著由于離子摻雜/脫摻雜引起的可逆帶隙（結構顏色）變化。第三個開關是水處理PEDOT-IO-I（氧化態(tài)）形成PEDOT-IO-II，由于水誘導LiClO4分子（Li+和ClO4-離子）的去除和周期性結構收縮，引起光晶帶隙的藍移。在此基礎上，實現(xiàn)了在PEDOT光子晶體上水寫-電擦多彩圖案。
最近，中科院理化技術研究所仿生實驗室江雷院士團隊王京霞研究員與中科院半導體所裴為華研究員合作基于水書寫和電擦除制備可重寫PEDOT薄膜。他們通過恒電位聚合制備聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）薄膜（圖1），基于溶劑與PEDOT薄膜之間的相互作用呈現(xiàn)出三種溶劑調(diào)制行為。低極性溶劑 (LPS) 與PEDOT 薄膜無相互作用；中極性/高揮發(fā)性溶劑（MP/HVS）去除親水性電解質，有助于將水接觸角從原始親水膜 (6.5°) 轉換為疏水性可寫基材 (146.2°)；高極性溶劑 (HPS) 誘導 PEDOT 鏈中陰離子的去摻雜，導致薄膜顏色由藍變紫，作為信息書寫過程（圖2，3）。同時，PEDOT 薄膜的本征電化學氧化還原使擦除過程成為可能。
圖1.PEDOT膜的制備及表征
圖2.PEDOT膜的三種溶劑調(diào)制行為
圖3.PEDOT膜經(jīng)三種不同類型溶劑處理變化過程的示意圖
以PEDOT膜表面浸潤性調(diào)控為前提，結合高極性溶劑誘導顏色變化（寫入）和電化學氧化還原反應（擦除），實現(xiàn)了可重寫的PEDOT薄膜（圖4）。這項工作為基于 PEDOT 的光學材料和器件的制備提供新的思路。
圖4.PEDOT膜上水寫/電擦圖案
相關研究結果以 “Rewritable PEDOT Film Based on Water-Writing and Electroerasing”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（DOI10.1021/acsami.1c09531）。該文章的第一作者武萍萍為中國科學院理化技術研究所博士研究生。感謝國家自然基金的資助（51873221，52073292， 51673207，51373183，61634006）。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c09531
下載：Rewritable PEDOT Film Based on Water-Writing and Electroerasing
