[科普中国]-电致变色聚合物

电致变色聚合物，是改变电压或电流时可以发生颜色变化的聚合物。聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔等导电聚合物以及某些液晶高分子均可作为电致变色材料。电致变色聚合物作为一种新兴的功能高分子材料，有着广阔的应用前景。

简介电致变色聚合物，是改变电压或电流时可以发生颜色变化的聚合物。聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔等导电聚合物以及某些液晶高分子均可作为电致变色材料。导电高分子本身是离域的共轭结构，价带与导电间的能隙很小，如果在聚合物中进行掺杂（电子给体或受体的离子型化合物），能带结构也随之发生变化，通过施加外界电场，进一步改变对光的吸收，导致颜色的改变。1

电致变色聚合物的性能要求在含有单体、溶剂、辅盐的电解质溶液中，浸入Pt电极。聚合物在电解过程中形成，并沉积在Pt电极上形成薄膜，其厚度从2nm至10nm不等。薄膜须在溶剂和辅盐的介质中，反复漂洗和浸泡，然后进行性能研究。

作为电致变色材料应用的聚合物，必须在以下几个方面具有良好的性能。

化学可逆性化学可逆性即聚合物在外加电压作用下，其氧化态和还原态的互相转化。要求在氧化或还原过程中，电荷变化量相同。化学可逆性由I-E曲线即循环伏安谱表征。图1为Garnier测得的聚3-甲基噻吩氧化还原时的特征曲线从中可以看到，其氧化过程和还原过程的电荷变化量是一致的，还原峰很大且有两个峰，可能与聚合物的重排机理有关。

色彩的差别和感觉颜色的差别和感觉与氧化还原过程的可见吸收频段的强度和位置有关。 以聚3-甲基噻吩一CF2SO3-体系为例，当聚合物在红色（非掺杂态）和蓝色（掺杂态）间循环时，可看到明显的反差。当辅盐不同时，可以看到不同的颜色变化。显然，作为显示材料，颜色变化的反差越大，性能越好。

频率响应通过记录外加方波偏电压时的电流一时间关系可得到频率响应特性。方波偏电压的频率变化范围在1~100Hz，输入电荷大约为1mc/cm2。图2是一种典型的频率响应曲线，从中可观察到在氧化和还原之间的不同电流波形。

氧化过程很快，开始仅需几毫秒。随后的缓慢衰减是由于残余电流出现在导电聚合物中。还原过程通常较慢，这可能是由于结构重排引起的，伏安谱也说明了这点。

频率响应的优劣，以转换时间来衡量。其值通过较慢的还原步骤中，半峰高所对应的时间来计算。一般来说，Pt电极越平整，聚合物薄膜的单一性越好，转换时间越短，即聚合物性能越好。

循环试验循环试验在温和的实验条件下进行。要求在多次循环后，聚合物的变色能力保持不变，这样其应用寿命较长。如聚吡咯衍生物在经过103~104次循环后，变色现象逐步减弱。对聚3-甲基噻吩，可观察到在经过1.2×105次循环后，能保持80%的变色作用。而聚苯胺在经过1.36×106次循环后，仍能保持相当稳定的变色作用（见图3）。2

功能高分子的发展历程与展望功能高分子材料的发展可以追溯到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的研究和发展历史。但是作为一门独立学科，功能高分子材料则是一门全新的科学。功能高分子材料科学作为一个完整学科是从20世纪80年代中后期开始的。其中，从19世纪末发展而来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。近年来高分子非线型光学材料也取得了突破性进展。

反应型高分子是有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面作出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。

电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物、聚合物电解质、聚合物电极的出现。此外，超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学敏感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。

高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。高分子化的LB膜和SA膜在新型光电子器件研究方面也显示出巨大的应用前景。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日纯水设备的能力。

医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面作出了相当大的贡献。同时功能高分子化学还是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。每年都有大量的有关文献报道涌现。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学