具有高荷质比的彩色聚合物增强金属有机框架微粒用于电泳显示

更明亮的屏幕却更省电

当今大多数手机和笔记本电脑依赖发光屏幕，耗电且可能导致眼睛疲劳。相比之下，电子阅读器使用反射环境光的“电子纸”，可读性强且能耗极低——但多为黑白显示。本文探讨了一类新的彩色微粒，能够在保持电子纸低功耗和纸张般外观的前提下，带来鲜明且可快速变化的色彩。

从晶体构建颜色

研究人员首先采用一类称为金属有机框架（MOF）的材料。这些是由金属原子通过有机分子连接而成的高度多孔晶体，类似由金属节点和碳骨架构成的支架。通过选择不同的金属——铜、铁、镍或钴——并使用相同的有机连接体（BTC），他们制备出四种天然呈蓝色、红褐色、绿色和紫色的MOF微粒。这些微小晶体比传统无机颜料颗粒更轻且色彩更鲜明，其结构和密度在合成过程中可调，这对在电场作用下它们在液体中的运动行为很重要。

为微粒披上一层有利带电的“外套”

要在电泳显示中工作，微粒必须带有强且稳定的电荷，以便快速响应且不易团聚。单独的MOF微粒只有弱负电荷。团队通过在每个MOF晶体表面包覆一层非常薄的聚合物——聚乙烯亚胺（PEI）来解决这一点，PEI富含带正电的氮基团。PEI链不是通过强化学键，而是通过温和的相互作用和氢键附着，就像包裹晶体的软外套。这种涂层将表面电荷从微弱负电转为强正电，并提高了颗粒在电场中的迁移性，同时基本不改变它们的形状、颜色和内部晶体结构。

将颜色悬浮在透明、温和的液体中

包覆后的MOF微粒需要分散在不会损伤晶体的非极性油中。研究人员选择了低极性的异十二烷（isododecane），并加入一种既作分散剂又作电荷控制剂的添加剂（PIBSA）。PIBSA通过提供体积阻隔来防止颗粒相互粘连——其长且柔性的链在颗粒之间形成缓冲区。结果是一组稳定且色彩鲜明的油墨，其中MOF-PEI微粒在较长时间内保持均匀悬浮。团队通过反射率测量确认了颜色，并将其映射到标准色卡上，显示蓝色、褐色、绿色和紫色的色调具有足够的饱和度和区分度，适用于显示。

从彩色油墨到可工作的电子纸

为展示实际器件，科学家将每种彩色MOF-PEI油墨与白色二氧化钛纳米粒子混合，制成蓝-白、褐-白等双色体系。这些混合物被封装在两块涂有电极的透明板之间，形成简易显示单元。当施加小的直流电压时，带正电的彩色颗粒和白色颗粒朝相反方向迁移，使可见表面在白色与彩色之间切换。在非常低的电场强度下测试时，四种颜色体系的响应时间均在约两秒以内，恢复时间在六秒以内，这与许多现有的彩色电子纸方法相当。蓝白和红褐白组合在视觉对比度和与白色的色彩区分上表现最佳，使其在可读文本和图形方面尤其有前景。

这些微粒为何重要

从实际角度看，这些基于MOF的微粒兼具多种优势：相对于质量具有较强的电荷、可调密度接近载液、色彩浓烈且稳定、制备相对简单且成本低。与常见的有机染料和传统无机颜料相比，它们在较弱电场下迁移更快、在反复切换后保持色彩并且可通过选择金属和聚合物涂层进行定制。对普通读者而言，结论是这项工作为未来更鲜艳、响应更快且能耗极低的彩色电子纸显示指明了可行路径——有望实现色彩丰富的电子阅读器、标牌和低能耗设备，同时对电池和眼睛都更友好。

引用: Cheng, J., Qin, M., Wang, W. et al. Colored polymer-reinforced metal-organic framework microparticles with high charge-to-mass ratio for electrophoretic display. Light Sci Appl 15, 122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02095-3

关键词: 电泳显示, 电子纸, 金属有机框架, 彩色电子墨水, 显示材料