电致变色的聚二炔/碳纳米管复合纤维

本项目顺利完成预期目标，通过物理和化学两种方法获得具有电致变色的新型聚二炔/碳纳米管复合纤维，系统研究并获得了复合纤维电致变色机制，即取向碳管之间形成的电场诱导聚二炔侧链重排，导致聚二炔主链构象改变而在宏观上显示颜色变化。发现碳管结构和聚二炔侧链是影响电致变色可逆性和灵敏度的关键因素，总结出电致变色规律。基于相似的研究思路，在取向碳管之间引入侧链含有偶氮苯的液晶高分子，获得一系列具有优异机械、电学、敏感变形的复合膜和纤维。具体总结如下：（1）碳管质量是影响敏感材料灵敏度和可逆性的关键因素，而要得到高质量的可纺碳管阵列一直是个挑战，本项目通过化学气相沉积法，系统改变催化剂厚度、乙烯以及氩气和氢气流量、反应温度、反应时间等参数，最终获得制备可纺碳管阵列的最佳参数范围，稳定得到高质量的碳纳米管阵列。（2）聚二炔电致变色非常迅速，超过目前的所有报道，改变单体组成（如末端为羟基和羧基）和结构（不同亚甲基单元数），发现聚二炔复合纤维在灵敏度上没有明显区别，但侧链越长可逆性越好。另外，刚制备的复合纤维显示不同的颜色，侧链较短时显示黄色，而较长时显示蓝色。（3）基于碳管和聚二炔相互作用的规律，以取向碳管作为模板，诱导侧链含有偶氮苯基元的液晶高分子取向，从而发展出制备液晶材料的一种新方法。与传统摩擦法相比，碳管之间的纳米沟槽更有效诱导液晶基元取向，复合材料更加均匀，而碳管优异的电学性能也克服了静电积聚的难题。新型液晶高分子复合材料快速可逆敏感变形，并有极高的强度和导电率，本项目将其发展成一类新型电子开关。在本项目资助下，已发表SCI论文（含接收）32篇，包括8篇Adv Mater、5篇Angew Chem和1篇Nano Lett，2010和2012年分别被Chem Soc Rev和Acc Chem Res邀请撰写复合敏感材料的综述，研究工作多次被Nature子刊等以研究亮点报道；已授权4项中国专利和2项美国专利，另已申请18项中国专利和1项美国专利。

对环境响应的敏感材料如聚二炔近20年来一直是材料领域的热点论题。虽然聚二炔在自愈合材料、光电材料、灵敏器件、分子分离等诸多领域显示了广泛的应用前景，但是依然存在不足，主要表现在两个方面：一是大部分聚二炔的颜色变化是不可逆的，二是刺激聚二炔变色的环境因素有限。..本项目拟通过与具有优异电学性能的碳纳米管形成复合纤维，以获得在电流作用下颜色可逆变化的聚二炔材料。基本构想是：复合纤维具有良好的导电性，可以通过较高的电流，对于单根碳纳米管，超过临界值的电流导致表面连接的聚二炔构象变化，共轭链长变短；对于直径微米级别的复合纤维，大量碳纳米管上聚二炔上述电子效应的叠加从宏观上指示颜色变化；撤掉电流，聚二炔构象可逆回复，复合纤维的颜色恢复如前。这些电致变色的复合纤维在显色器、智能窗、敏感器件、记忆元件等方面有着重要的应用潜力。在电流作用下颜色变化以及电流作用下颜色可逆变化的聚二炔材料以前从未报导过。

电致变色是指在电场作用下，材料发生可逆的变色现象。电致变色实质是一种电化学氧化还原反应，反应后材料在外观上表现出颜色的可逆变化。例如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等及其衍生物，在可见光区都有较强的吸收带。同时，在掺杂和非掺杂状态下颜色要发生较大变化，其中中性态是稳定态。导电聚合物既可以氧化(p型)、掺杂，也可以还原(n型)掺杂。在作为电致变色材料使用时，两种掺杂方法都可以使用，但以氧化掺杂比较常见。掺杂过程可以由施加电极电势来完成。其中材料的颜色取决于导电聚合物中价带和导带之间的能量差，以及在掺杂前后能量差的变化。

电致变色材料是指在外电场及电流的作用下，可发生色彩变化的材料即为电致变色材料。其本质是材料的化学结构在电场作用下发生改变，进而引起材料吸收光谱的变化。根据颜色变化的过程分类，可分为颜色单向变化的不可逆变色材料，以及更具应用价值的颜色可以双向改变的可逆变色的材料。

具有实用价值的电致变色高分子材料必须具备颜色变化的可逆性、颜色变化的方便性和灵敏性、颜色深度的可控性、颜色记忆性、驱动电压低、多色性和环境适应性强等特点。研究开发的电致变色高分子材料已经基本具备上述性质，电致变色材料的特点和优势促使各种电致变色器件的研制和开发迅速发展，电致变色器件基本上是由电子源和离子源、透明导电层、电致变色层、电解质层、电极层等构成。

电致变色材料可以用于研制开发信息显示器件、电致变色智能调光窗、无眩反光镜和电色信息存储器等，此外，在一些近年来的技术产品中，如变色镜、高分辨率光电摄像器材、光电化学能转换和储存器、电子束金属版印刷技术等也获得了应用。 2100433B

电致变色是材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。

电致变色材料一个很好的例子是聚苯胺，聚苯胺可以通过电化学过程或者苯胺的化学氧化过程来形成。 如果把电极浸入含有低浓度苯胺的盐酸溶液中， 在电极上就会产生聚苯胺薄膜。根据不同的氧化态，聚苯胺可以呈现为浅黄色或者深绿/黑色。其它找到技术应用的电致变色材料包括紫罗碱和en:polyoxotungstate。更多的电致变色材料包括氧化钨(WO₃)，它的主要化学用途是制作电致变色窗或者智能窗。

由于颜色改变的持久稳固且仅在产生改变时需要能量，电致变色材料被用于控制允许穿透窗户（"智能窗"）的光和热的总量，也在汽车工业中应用于根据各种不同的照明条件下自动调整后视镜的深浅。紫罗碱和二氧化钛（TiO₂）一起被用于小型数字显示器的制造。它很有希望取代液晶显示器，因为紫罗碱（通常为深蓝）与明亮的钛白色有高对比度，因此提供了显示器的高可视性。

电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。解决现代不断恶化的城市光污染问题。是节能建筑材料的一个发展方向。 电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。 用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。 电致变色智能玻璃能以较低的电压（2-5V）和较低的功率调节汽车、飞机内部的光线强度，使旅途更加舒适。 目前，电致变色调光玻璃已经在一些高档轿车和飞机上得到应用。