敏感善变的场致变色材料丨科普硅立方

语音播报 来自中科院之声 00:00 06:43

编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。

在自然界中，有一种天生的“刺客”，根据自身所处环境调节皮肤的色彩，与周围环境融为一体。凭借这一独特优势，它们捕获猎物不费吹灰之力，躲避天敌屡试不爽，它们就是变色龙。

图1 变色龙（图片来自网络）

变色龙的这一独特天赋吸引了科学家的关注。大多数材料并不具有这一功能，但是随着相关研究的不断深入，材料百宝库中有一类“不安分”的成员在科研人员的精挑细选中脱颖而出。这类材料能感知外界各种刺激实现颜色的变化，人送外号“场致变色材料”。

场致变色材料是一类在外场（电、热、光、气等）的作用下，能发生稳定、可逆的光学变化的物质统称，在外观上往往表现为颜色和透明度的可逆变化。根据外部刺激源的不同，场致变色材料可分为热致变色材料、电致变色材料、光致变色材料和气致变色材料等。

图2 场致变色家族成员

这些材料名字虽然“高大上”，似乎离我们的日常生活很遥远，但其实随着科学技术的发展，场致变色材料现如今也飞入寻常百姓家。

热致变色（TC）

现今的炎夏寒冬，人们应对来自温度的考验常常离不开空调，然而在享受这种便捷的同时，我们也要付出环境和健康的代价。那么大家是否想过，影响房间温度的关键因素之一就是窗户对于光线的透过，假如我们房间的窗户玻璃具有“智慧”，能感知环境温度而自行改变对光线的透过，那么就有望构造出一个冬暖夏凉的房间。这样的“智能窗户”当然不是普通的硅酸盐材质玻璃能胜任的，这时候就要依靠热致变色材料。

热致变色（TC）材料是指在升降温过程中吸收光谱发生变化的功能材料，它具有透光率或颜色随温度改变而变化的特性。

根据热变色的可逆性，热致变色材料可以分为不可逆热致变色和可逆热致变色两大类，其中可逆性热致变色材料的典型代表为二氧化钒（VO₂）。

作为一种典型的热致变色材料，VO₂具有在340K附近自发产生可逆半导体-金属可逆相变的特性，同时引起光学性能的变化（如图3，4）。当温度低于340K时VO₂为单斜晶系，此时具有较高的红外透过率，有利于室内温度的提升；当温度高于340K时，VO₂为四方晶系，红外线更多地被反射，透过率较低，减少房间对热辐射的吸收。因此，将热致变色的氧化钒材料应用于智能节能窗的涂料，可以有效控制太阳辐射热量，降低建筑能耗。

图3 智能玻璃节能原理及其调控效果（图片来自网络）

图4 热致变色智能窗节能效果（图片来自网络）

热致变色材料是一种热记忆功能材料，在建筑节能、航空航天等领域具有广泛应用。在建筑节能领域，热致变色节能窗使用光学性能可调的致变色材料，利用其对各种物理刺激（例如温度变化，电场、光辐照以及气体作用等）产生的透反射性能等变化，实现室内环境光热的可控调节。

图5 VO₂基智能窗示意图

电致变色（EC）

电致变色（EC）指在电流或电场的作用下，材料发生光吸收或光散射，从而导致颜色产生可逆变化的现象。电致变色材料能主动响应外加电场而产生稳定、可逆的光学变化，可起到灵敏调控内部温度及光强的作用。

电致变色材料按材料类型大致可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的性能稳定，其光吸收变化是由于离子和电子的双注入和脱出而引起的。有机电致变色材料的色彩丰富，易进行分子设计，其光吸收变化来自氧化还原反应。

为了实现电致变色材料在图像显示、智能材料等方面的作用，需要其具有以下性能：(1)具有良好的电化学氧化还原可逆性；(2)颜色变化的响应时间快；(3)颜色的变化应是可逆的；(4)颜色变化灵敏度高；(5)有较高的循环寿命；(6)有一定的储存记忆功能；(7)有较好的化学稳定性。

图6 电致变色器件性能评价指标（左）与波音787客机的可调舷窗（右）（图片来自网络）

光致变色（PC）和气致变色（GC）

此外，场致变色家族成员还有光致变色与气致变色材料。

光致变色材料（PC）是指化合物A在受到某一波长的光照时，可通过特定的化学反应生成结构和光谱性能不同的产物B，而在另一波长的光照或热的作用下，B又可逆地生成化合物 A 的现象，即某一物质在两种状态之间可逆变化，其中至少一个方向的变化是由光辐射所引起的，例如过渡金属氧化物（主要有WO₃、MoO₃、TiO₂等)和金属卤化物（如氯化铜、氯化银等）。WO₃作为一种重要的无机光致变色材料，具有稳定性好、成本低等优点，通过与ZnO纳米粒子进行复合，可显著提升其光致变色效率。

图7 光致变色材料制备工艺（左）及材料效果图（右） 

气致变色材料（GC）在接触某些挥发性有机化合物后会发生颜色或发射率可逆的变化，由于其在化学传感器、发光二极管和环境监测仪等方面的广泛应用，近年来受到越来越多的关注。

值得注意的是，虽然大量的有机金属配合物和配位配合物作为蒸汽色体材料被广泛地研究，但许多已知的蒸汽色体系统仍然存在稳定性差的问题。例如，当暴露在空气或真空中时，一些气致变色材料可以分解气体分子并迅速恢复其原有的颜色。随着新型高稳定性蒸汽色体系统的发展，蒸汽色体材料在化学传感器和电子元件中得到更广泛的应用。

图8 合金体系气致变色镜（图片来源于网络）

图9 气致变色可逆转换

除了上述四类场致变色材料外，变色家族也有其它各显身手的成员，包括溶剂致变色材料，压致变色材料等。

场致变色材料的用途不容小觑，其应用涉及信息显像、汽车工业，建筑行业，纺织服装等诸多领域，但仍有许多瓶颈亟待突破。相信随着材料体系的不断开发与性能优化，智能便捷的场致变色材料有望能服务于我们生活的方方面面。

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来源：中国科学院上海硅酸盐研究所