基于亚磷鎓（viologen）二维阳离子共价有机高分子的设计用于具有可调氧化还原电位的多色电致变色器件

按需变色的窗户

想象一扇窗户，只需一键就能从几乎透明平滑地切换到丰富的橙色、红色、绿色或深蓝色——既能节能、提供隐私，也能显示信息，而无需笨重的屏幕。本研究探讨了一类新的智能变色材料，使此类窗户更耐用、更高效且更易调控，将电致变色“活性玻璃”向日常应用又推进了一步。

由微小单元构建的变色薄膜

本工作的核心是称为亚磷鎓的分子，它们在得失电子时会产生鲜明的颜色变化。根据其电子状态，亚磷鎓可以几乎无色、明亮着色或深色着色。研究人员将许多此类分子连接成薄的二维聚合物片层——类似分子网格，形成所谓的基于亚磷鎓的离子共价有机聚合物（V-iCOPs）。通过选择三种不同的连接单元（一个给电子的、一个中性的和一个拉电子的），他们制备出三种相关的薄膜：V-iCOP1、V-iCOP2 和 V-iCOP3，均直接生长在透明导电玻璃上。

结构如何塑造颜色与性能

团队仔细研究了这些薄膜的构筑以及这些结构如何影响其行为。显微镜显示薄膜表面光滑但总体为非晶态，而非完美晶体；V-iCOP2 和 V-iCOP3 更倾向形成片层状、多孔的颗粒，V-iCOP1 则形成更致密、缺乏明显特征的区域。薄膜内的小孔和整体阳离子电荷有助于溶解离子进出，这是实现快速变色所必需的。光谱学和电化学测试表明，三种材料在加入电子时都经历两步清晰可逆的转变：首先形成显色的自由基态，然后形成具有不同颜色的中性态。值得注意的是，每种薄膜都会循环呈现三种可见颜色，其具体色调和切换电压可通过选择连接单元来“调节”。

将薄膜转化为可工作的智能器件

为了将这些薄膜制成实用的电致变色器件，研究人员将每块涂有 V-iCOP 的玻璃板与一块普通玻璃电极对夹，中间夹有柔软、水分含量高的水凝胶。该水凝胶通过光引发聚合原位形成，内含盐溶液和一种有助于平滑电子流并抑制副反应的助剂分子。阳离子薄膜与水基凝胶匹配良好，保证了良好接触和快速离子传输。施加小电压时，离子在薄膜与凝胶间快速移动，窗户在几秒内改变颜色。器件在透光率上表现出显著变化——尤其是 V-iCOP3，可以从浅黄色变为蓝绿色或深蓝色——并且在数百到数千个循环后仍保持强劲性能，远超许多早期的有机电致变色材料。

用理论窥探内部机制

为了解这三种相关材料为何表现差异，作者对每种聚合物的简化片段进行了量子化学计算。这些计算显示所选连接单元如何提高或降低控制材料易于接受电子的关键能级。V-iCOP3 中的拉电子连接单元稳定了附加电荷，使得颜色变化可在更低电压下发生并增强了颜色对比度。模型还揭示了分子主链在不同态之间的微妙构象变化：更平面、片层状的连接单元（如 V-iCOP2 和 V-iCOP3）有利于有序、多孔结构，从而加快离子移动；而 V-iCOP1 中更扭曲的连接单元导致更致密的堆积，切换更慢且效率较低。这些见解将分子设计直接与器件性能联系起来。

迈向更智能、更持久的彩色玻璃

总体而言，这项研究表明基于亚磷鎓的二维聚合物薄膜能够实现明亮的多色电致变色响应，具有低工作电压、快速切换（低于十秒）和强耐久性，最佳器件在2000个循环后仍保留超过90%的对比度。表现最为突出的材料 V-iCOP3 使用了一个强拉电子连接单元，以最大化颜色变化和效率，这提示“受体–受体”型设计特别有前景。将这些薄膜与精心设计的水凝胶电解质配对，并借助理论指导设计选择，这项工作为制造下一代色彩丰富、稳健且节能的智能窗和显示器提供了一条清晰路线。

引用: Choi, J.U., Tam, T.L.D., Park, J. et al. Design of viologen-based 2D cationic covalent organic polymer for multi-colored electrochromic devices with tuneable redox potential. NPG Asia Mater 18, 5 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00634-x

关键词: 电致变色窗, 亚磷鎓聚合物, 共价有机聚合物, 智能材料, 变色器件