
電致變色是電致變色材料的光學屬性在外加電場的作用下發生穩定、可逆的變化的現象,在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。由電致變色材料做成的電致變色器件已經廣泛應用于智能窗、汽車觀后鏡、電致變色顯示器等領域,其中應用最為廣泛的是電致變色智能窗,它可以通過改變電壓而使窗戶呈現不同的透明度,為人們營造健康舒適的光環境,如美國波音787客機的客艙窗就使用了電致變色玻璃。然而傳統的電致變色玻璃的設計大多是追求對可見光譜的調節能力,即改變外加電壓產生肉眼可辨的顏色變化,對熱量產生的根源——紅外光的調控空間有限。理想的電致變色玻璃應既有低反射率性質以利冬天保溫,又能阻隔室外熱量以減少夏季空調負擔,并在此基礎上實現光與熱的獨立調控,即讓窗戶分別擁有亮模式、暗模式以及熱模式、冷模式的狀態,這就需要對可見、近紅外雙波段實現獨立調控。
中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所趙志剛研究員團隊將具有表面等離子共振效應的氧化鎢納米線和具有本征的快速離子通道的普魯士藍材料交替疊加,利用普魯士藍的本征離子通道促進電致變色插入離子的快速遷移,從而實現了電致變色玻璃中光與熱的獨立調控。研究團隊發現,經典的陽極電致變色材料普魯士藍的離子通道尺寸達到3.2Å,這一尺寸遠大于傳統的電致變色插入離子的尺寸(例如Li+半徑為0.59Å)。利用普魯士藍的這一結構特點,團隊構建了一疊層結構,內層為具有表面等離子共振效應的氧化鎢納米線材料(W18O49),由于表面等離子效應的存在這種氧化鎢材料有著更大的近紅外光調制能力并有較為良好的電子傳輸性能,外層為具有大的離子通道的普魯士藍材料。這種材料結構設計使得電極工作時,內層的氧化鎢納米線能幫助外層傳導電子,而外層的普魯士藍能幫助內層傳輸電致變色插入離子。通過優化,研究團隊實現了可見、近紅外雙波段獨立可調的四種調光模式,即亮熱模式(可見光和近紅外光都能透過)、亮冷模式(可見光透過,近紅外光不透過)、暗冷模式(可見光和近紅外光都不能透過)、暗熱模式(可見光不透過,近紅外光能透過),可見光調制范圍達到71.2%,近紅外光的調制范圍達到64.8%,且均具有良好的穩定性。