Новый материал помогает умному стеклу менять цвет в рекордно короткие сроки

Представьте, что вы едете по шоссе ночью. Идет дождь, ослепляют яркие фары машины позади вас. Как удобно иметь в таком случае зеркало заднего вида с автоматическим затемнением. Технически это полезное дополнение основано на электрохромных материалах. При подаче напряжения их светопоглощение и цвет меняются. Таким образом, зеркало заднего вида, управляемое датчиком освещенности, может отфильтровывать сильно ослепляющий свет.

Недавно эксперты обнаружили, что, помимо уже известных неорганических электрохромных материалов , новое поколение высокоупорядоченных решетчатых структур также может быть оснащено этой возможностью: так называемые ковалентные органические каркасы, сокращенно COF. Они состоят из синтетических органических строительных блоков, которые в подходящих комбинациях образуют кристаллические и нанопористые сети. Здесь изменение цвета может быть вызвано приложенным электрическим напряжением, которое вызывает окисление или восстановление материала.

Команда LMU под руководством Томаса Бейна (физическая химия, LMU, Мюнхен) разработала структуры COF, скорость переключения и эффективность окрашивания которых во много раз выше, чем у неорганических соединений. COF привлекательны тем, что их свойства материалов можно регулировать в широком диапазоне, изменяя их молекулярные строительные блоки. Ученые из LMU в Мюнхене и Кембриджского университета воспользовались этим, чтобы разработать COF, идеально подходящие для их целей.

«Мы использовали принцип модульной конструкции COF и разработали идеальный строительный блок для наших целей с конкретной молекулой тиеноизоиндиго», - говорит Дерья Бессинджер, первый автор и доктор философии, студент в группе Томаса Бейна. «Включенный в COF, новый компонент демонстрирует, насколько сильно он может улучшить свойства COF. Например, с новым материалом мы не только поглощаем ультрафиолетовый свет с более короткой длиной волны или небольшие участки видимого спектра, но и добиваемся хорошей фотоактивности в ближней инфракрасной области спектра».

В то же время новые структуры COF намного более чувствительны к электрохимическому окислению. Это означает, что даже низкого приложенного напряжения достаточно, чтобы вызвать изменение цвета COF, которое также полностью обратимо. Кроме того, это происходит с очень высокой скоростью: время отклика для полного и отчетливого изменения цвета в результате окисления составляет около 0,38 секунды, в то время как восстановление до исходного состояния занимает всего около 0,2 секунды. Это делает электрохромные органические структуры команды электронной конверсии одними из самых быстрых и эффективных в мире.

Две вещи, в частности, ответственны за высокую скорость: проводящая каркасная структура COF обеспечивает быстрый перенос электронов в решетке. А благодаря оптимизированному размеру пор окружающий раствор электролита может быстро добраться до любого угла. Это важно, потому что положительный заряд, генерируемый в окисленной структуре COF, должен быстро компенсироваться отрицательными ионами электролита. И наконец, что не менее важно, продукт мюнхенских ученых отличается очень высокой стабильностью. Длительные испытания показали, что материал сохраняет свои характеристики даже после 200 окислительно-восстановительных циклов.

Благодаря этим фундаментальным открытиям ученые продвигают разработку нового класса высокоэффективных электрохромных покрытий. Очевидная потребность в этом проявляется в текущем применении такого «умного стекла», как переключаемые солнцезащитные окна и окна с защитой от солнца для фасадов целых зданий, пишет phys.org.