功能(智能)材料在滿足人類需求的電子產(chǎn)品中扮演著重要角色,其中的光致變色材料因其廣闊的應(yīng)用前景備受青睞(例如:其在醫(yī)療和其他領(lǐng)域的傳感檢測、在電子顯示、在滿足人們信息交流和日用產(chǎn)品需求等方面的潛在應(yīng)用)。現(xiàn)有的光驅(qū)動變色體系中,主要分為傳統(tǒng)的紫外光驅(qū)動和新興的可見光驅(qū)動兩大類。相比于紫外光驅(qū)動材料的顏色變化來講,可見光驅(qū)動的變色方式越來越獲得重視。這是因為紫外光的能量很高,對材料和生命體系的破壞力很強,而可見光的能量較低,對材料和人體健康更加溫和友善。由于可見光對材料的有機分子結(jié)構(gòu)的損害要遠比紫外光小,因此可見光驅(qū)動的顏色變化材料(LCM)具有更好的化學穩(wěn)定性和循環(huán)可逆性,這些優(yōu)勢使得LCM的產(chǎn)品適用范圍更加廣闊。近年來,許多杰出研究團隊已展示了多種用可見光驅(qū)動的材料變色途徑,這些開拓性工作對推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。然而,現(xiàn)有的LCM綜合性能仍不理想(如:顏色對比度和保留時間不能兼容,快速擦寫的重復(fù)使用性能仍不理想,所用的“可見光酸”成分帶有不理想的背景顏色)。尤其是其性能逐漸退化(或記憶性能消失)的難題,嚴重阻礙了該領(lǐng)域向高端產(chǎn)品(如:顯示、醫(yī)用和工業(yè)傳感器、信息存儲、儲能材料、分子電子器件等)的邁進。因此,迫切需要科學的突破或新技術(shù),以提升其用于顯示所需的綜合性能。
事實上,“性能退化”技術(shù)瓶頸是功能材料領(lǐng)域普遍存在的問題,其來自于材料的特有性質(zhì),因為當材料具有所期待的高靈敏的刺激響應(yīng)變色(或性能改變)能力時(優(yōu)點),也隱含了它易受環(huán)境影響發(fā)生性能(顏色)退化的問題(缺憾)。上述的問題與當前慣用的“一步法”(或近似于“一步”)實現(xiàn)目標的驅(qū)動方式有關(guān)。這一模式在熱門的光致變色分子開關(guān)、光誘導質(zhì)子轉(zhuǎn)移、和光催化氧化還原反應(yīng)等領(lǐng)域?qū)乙姴货r。盡管傳統(tǒng)的“一步”刺激反應(yīng)過程有著操作簡單、反應(yīng)迅速等優(yōu)點,然而,其受周邊環(huán)境影響的敏感性,也導致了其穩(wěn)定性差、綜合性能不理想的問題。
為了解決這個功能材料領(lǐng)域普遍存在的問題,推動LCM的發(fā)展以及拓展其在高端產(chǎn)品或領(lǐng)域的應(yīng)用,吉林大學張曉安教授團隊將傳統(tǒng)的光驅(qū)動“一步”實現(xiàn)變色目標的過程拆分為由光和熱驅(qū)動變色的多步可控過程。這是一個學習借鑒生命系統(tǒng)工作智慧的方案,神奇的生命活動正是利用多種成分的協(xié)同、互助、多步驟的方法來克服傳統(tǒng)化學方法難以解決的問題。該課題組研究人員通過分步調(diào)整變色組分和輔助基質(zhì)之間的協(xié)同互助程度,使光致變色材料既避免了原有的黃色背景問題,還有效抵抗外界環(huán)境對材料性能穩(wěn)定性的干擾,并成功實現(xiàn)了迄今最長的信息保留時間的光控多色顯示和良好的顏色變化循環(huán)可逆性。他們還成功實現(xiàn)了功能材料與激光打印技術(shù)兼容的超快速成像(如下圖1所示),并展示了其多種應(yīng)用的可能性(如下圖2所示)。該工作不僅顯著提升了可見光驅(qū)動變色材料的綜合性能,其所提出的“分步可控的多組分協(xié)同互助驅(qū)動模式”,也有望幫助其它功能材料系統(tǒng)解決難以解決的問題。
圖1. LCM的結(jié)構(gòu)示意圖以及綜合性能展示。
圖2. LCM在短期可重復(fù)使用廣告牌,價簽,身份卡上的應(yīng)用展示,以及在吸收型閱讀器上展望。
該科研成果剛剛發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Science》,本文的第一作者是吉林大學的博士研究生杜貞,共同一作者為東莞理工大學的張婷博士,通訊作者為吉林大學超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室的張曉安教授和化學學院的盛蘭副教授。該項工作獲得了國家科學基金委(21975099,21875087),吉林省優(yōu)秀青年人才基金項目(20190103126JH)、吉林大學人才項目、科技創(chuàng)新研究團隊和優(yōu)秀青年教師支持計劃的支持。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103309
通訊作者簡介:
張曉安教授 1982年畢業(yè)于吉林大學化學系,1987年獲得英國巴斯大學理學博士學位,隨后在美國西北大學從事博士后研究,曾歷任美國Aldrich等公司高級研究員,惠普中央研究院項目首席研究員,2008年全職引進回國,2010年秋調(diào)入吉林大學超分子國家重點實驗室。曾在Nature Materials,Advanced Material等國際頂級專業(yè)雜志發(fā)表SCI研究論文百余篇,并獲百余項國內(nèi)外發(fā)明專利(美國等)的授權(quán)。其主要研究方向:功能仿生材料及技術(shù);刺激響應(yīng)功能材料;分子和納米光電材料及器件;動態(tài)超分子化學及微觀反應(yīng)動力學機制。
盛蘭副教授 2015年獲吉林大學化學博士學位,并被直接留校和聘為副教授。曾在Nature Communications, Advanced Materials等國際高影響力雜志上發(fā)表研究論文17篇,已獲授權(quán)的國內(nèi)外發(fā)明專利多項(中國6項,美國1項,歐洲1項)。主要研究方向:溫和刺激響應(yīng)智能染料的仿生功能材料及綠色無墨打印技術(shù)的開發(fā)研究。其一作的原始創(chuàng)新工作(無墨噴水打。┰饑鴥(nèi)外廣泛關(guān)注。
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