Kemikere udvikler nyt materiale, der hjælper smart glas med at skifte farve på rekordtid

Smart glas kan ændre farve hurtigt gennem elektricitet. Et nyt materiale udviklet af kemikere fra Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) i München har nu sat en hastighedsrekord for en sådan ændring.

Forestil dig, at du er på motorvejen om natten. Det regner, de skarpe forlygter på bilen bag dig blænder. Hvor er det praktisk at have et automatisk dæmpende bakspejl i sådan et tilfælde. Teknisk set, denne nyttige ekstra er baseret på elektrokrome materialer. Når en spænding påføres, deres lysabsorption og farveændring. Styres af en lyssensor, bakspejlet kan således filtrere stærkt blændende lys fra.

For nylig, eksperter opdagede, at ud over etablerede uorganiske elektrokrome materialer, en ny generation af højt ordnede gitterstrukturer kan også udstyres med denne evne:såkaldte Covalent Organic Frameworks, COFs for korte. De består af syntetisk fremstillede organiske byggesten, der, i passende kombinationer, danner krystallinske og nanoporøse netværk. Her, farveændringen kan udløses af en påført elektrisk spænding, som forårsager en oxidation eller reduktion af materialet.

LMU-teamet ledet af Thomas Bein (Fysisk Kemi, LMU Munich) har nu udviklet COF-strukturer, hvis skiftehastigheder og farveeffektivitet er mange gange højere end uorganiske forbindelsers. COF'er er attraktive, fordi deres materialeegenskaber kan justeres over et bredt område ved at modificere deres molekylære byggesten. Forskere ved LMU München og University of Cambridge udnyttede det til at designe COF'er, der var ideelle til deres formål.

"Vi har gjort brug af COF'ernes modulære konstruktionsprincip og designet den ideelle byggesten til vores formål med et specifikt thienoisoindigo-molekyle", siger Derya Bessinger, førsteforfatter og ph.d. elev i gruppen af ​​Thomas Bein. Indarbejdet i en COF, den nye komponent viser, hvor stærkt den kan forbedre COF's egenskaber. "For eksempel, med det nye materiale, vi kan ikke kun absorbere det kortere bølgelængde UV-lys eller små dele af det synlige spektrum, men også opnå fotoaktivitet langt ind i de nær-infrarøde spektralområder", siger Bessinger.

På samme tid, de nye COF-strukturer er meget mere følsomme over for elektrokemisk oxidation. Dette betyder, at selv en lav påført spænding er tilstrækkelig til at udløse en farveændring af COF'erne, som også er fuldstændig reversibel. Ud over, dette sker ved meget høj hastighed:responstiden for en fuldstændig og tydelig farveændring ved oxidation er omkring 0,38 sekunder, mens reduktionen tilbage til den oprindelige tilstand kun tager omkring 0,2 sekunder. Dette gør e-konverteringsteamets elektrokrome organiske rammer blandt de hurtigste og mest effektive i verden.

Især to ting er ansvarlige for den høje hastighed:COF'ernes ledende rammestruktur muliggør hurtig elektrontransport i gitteret. Og takket være en optimeret porestørrelse, den omgivende elektrolytopløsning kan hurtigt nå hvert hjørne. Dette er vigtigt, fordi den positive ladning, der genereres i den oxiderede COF-struktur, hurtigt skal ladningskompenseres af negative elektrolytioner. Sidst men ikke mindst, München-forskernes produkt har en meget høj stabilitet. Langtidstest viste, at materialet var i stand til at opretholde sin ydeevne selv efter 200 oxidations-reduktionscyklusser.

Med disse grundlæggende resultater, publikationen fremmer udviklingen af ​​en ny klasse af højtydende elektrokrome belægninger. Den åbenlyse efterspørgsel efter dette fremgår af de nuværende anvendelser af så "smart glas" som omskiftelig solafskærmning og privatlivsskærme til hele bygningsfacader.