Smart glas kan ändra färg snabbt genom elektricitet. Ett nytt material utvecklat av kemister från Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) i München har nu satt ett hastighetsrekord för en sådan förändring.

Föreställ dig att du är på motorvägen på natten. Det regnar, de starka strålkastarna på bilen bakom dig bländar. Vad bekvämt att ha en automatiskt nedbländande backspegel i ett sådant fall. Tekniskt, denna hjälpsamma extra är baserad på elektrokroma material. När en spänning appliceras, deras ljusabsorption och färgförändring. Styrs av en ljussensor, backspegeln kan därmed filtrera bort starkt bländande ljus.

Nyligen, experter upptäckte att förutom etablerade oorganiska elektrokroma material, en ny generation av välordnade gallerstrukturer kan också utrustas med denna förmåga:så kallade Covalent Organic Frameworks, COFs för kort. De består av syntetiskt framställda organiska byggstenar som, i lämpliga kombinationer, bildar kristallina och nanoporösa nätverk. Här, färgförändringen kan utlösas av en pålagd elektrisk spänning som orsakar en oxidation eller reduktion av materialet.

LMU-teamet under ledning av Thomas Bein (fysisk kemi, LMU Munich) har nu utvecklat COF-strukturer vars växlingshastigheter och färgningseffektivitet är många gånger högre än för oorganiska föreningar. COFs är attraktiva eftersom deras materialegenskaper kan justeras över ett brett spektrum genom att modifiera deras molekylära byggstenar. Forskare vid LMU München och University of Cambridge drog fördel av detta för att designa COF som var idealiska för deras syften.

"Vi har använt COFs modulära konstruktionsprincip och designat den idealiska byggstenen för våra ändamål med en specifik thienoisoindigo-molekyl", säger Derya Bessinger, första författare och Ph.D. elev i Thomas Beins grupp. Inkorporerad i en COF, den nya komponenten visar hur starkt den kan förbättra COF:s egenskaper. "Till exempel, med det nya materialet, vi kan inte bara absorbera UV-ljus med kortare våglängd eller små delar av det synliga spektrumet, men också uppnå fotoaktivitet långt in i de nära-infraröda spektralområdena", säger Bessinger.

På samma gång, de nya COF-strukturerna är mycket känsligare för elektrokemisk oxidation. Detta betyder att även en låg pålagd spänning är tillräcklig för att utlösa en färgförändring av COFs, som också är helt reversibel. Dessutom, detta sker med mycket hög hastighet:svarstiden för en fullständig och distinkt färgförändring genom oxidation är cirka 0,38 sekunder, medan reduktionen tillbaka till det ursprungliga tillståndet bara tar cirka 0,2 sekunder. Detta gör e-konverteringsteamets elektrokroma organiska ramverk bland de snabbaste och mest effektiva i världen.

Två saker är särskilt ansvariga för den höga hastigheten:COFs ledande ramstruktur möjliggör snabb elektrontransport i gittret. Och tack vare en optimerad porstorlek, den omgivande elektrolytlösningen kan snabbt nå varje hörn. Detta är viktigt eftersom den positiva laddningen som alstras i den oxiderade COF-strukturen snabbt måste laddningskompenseras av negativa elektrolytjoner. Sist men inte minst, produkten från Münchenforskarna har en mycket hög stabilitet. Långtidstester visade att materialet kunde bibehålla sin prestanda även efter 200 oxidationsreducerande cykler.

Med dessa grundläggande rön, publikationen främjar utvecklingen av en ny klass av högpresterande elektrokroma beläggningar. Den uppenbara efterfrågan på detta visas av nuvarande tillämpningar av sådant "smart glas" som omkopplingsbart solskydd och insynsskyddade fönster för hela byggnadsfasader.