理化所基于水书写和电擦除的可重写PEDOT薄膜研究取得新进展

  • 文/武萍萍 图/武萍萍 (中国科学院理化技术研究所)
  • 创建于 2021-08-26
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  纸张的出现极大地促进了人类文明的发展,同时也导致了严重的资源浪费和环境污染。聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)由于其具有环境友好、生物相容和溶剂诱导变色等特点,在可重写纸方面具有潜在应用。在PEDOT膜上进行信息传递可基于多种刺激条件,例如光、热、电、压力和水。其中,水是最理想的触发条件,因为它清洁、环保且成本较低。高质量可重写纸的获得通常需要三个条件:墨水在纸表面受控扩散;墨水书写留下痕迹进行信息传递;纸的可回收性。然而,PEDOT薄膜在空气中是亲水/亲油的,墨水在PEDOT膜上的过度扩散会大大降低书写质量和信息传输。因此,PEDOT薄膜的浸润性调控对于它们作为可重写纸的应用至关重要。目前已发展了一系列策略用于调控PEDOT膜表面浸润性,例如改变化学成分(引入亲水/疏水离子和接枝取代基)、构建微/纳米结构、制备复合层体系。但是这些方法通常需要预先设计化学反应,制备过程复杂且难以实现大面积。因此,发展一种简单策略调控PEDOT薄膜表面浸润性对于可重写PEDOT纸的应用非常重要。 

  在以前的工作中,中科院理化技术研究所仿生实验室江雷院士、王京霞研究员团队在PEDOT光子晶体上实现了多彩图案的水写和电擦除(Adv. Funct. Mater., 2019, 1808473)。他们通过电聚合制备聚34-乙烯二氧噻吩(PEDOT)光子晶体(PEDOT-IO-0),揭示了所制备PEDOT-IO具有四种状态和三种不同的开关形式:第一个开关是从PEDOT-IO-0PEDOT-IO-I(中性态)的不可逆的还原过程。第二个开关是PEDOT-IO-I(中性态)和PEDOT-IO-I(氧化态)之间的可逆电化学过程,伴随着由于离子掺杂/脱掺杂引起的可逆带隙(结构颜色)变化。第三个开关是水处理PEDOT-IO-I(氧化态)形成PEDOT-IO-II,由于水诱导LiClO4分子(Li+ClO4-离子)的去除和周期性结构收缩,引起光晶带隙的蓝移。在此基础上,实现了在PEDOT光子晶体上水写-电擦多彩图案。 

  最近,中科院理化技术研究所仿生实验室江雷院士、王京霞研究员与中科院半导体所裴为华研究员合作基于水书写和电擦除制备可重写PEDOT薄膜。他们通过恒电位聚合制备聚34-乙烯二氧噻吩(PEDOT)薄膜(图1),基于溶剂与PEDOT薄膜之间的相互作用呈现出三种溶剂调制行为。低极性溶剂(LPS)PEDOT薄膜无相互作用;中极性/高挥发性溶剂(MP/HVS)去除亲水性电解质,有助于将水接触角从原始亲水膜(6.5°)转换为疏水性可写基材(146.2°);高极性溶剂(HPS)诱导PEDOT链中阴离子的去掺杂,导致薄膜颜色由蓝变紫,作为信息书写过程(图23)。同时,PEDOT 薄膜的本征电化学氧化还原使擦除过程成为可能。 

1.PEDOT膜的制备及表征

  2.PEDOT膜的三种溶剂调制行为

 

  3.PEDOT膜经三种不同类型溶剂处理变化过程的示意图

  以PEDOT膜表面浸润性调控为前提,结合高极性溶剂诱导颜色变化(写入)和电化学氧化还原反应(擦除),实现了可重写的PEDOT薄膜(图4)。这项工作为基于PEDOT的光学材料和器件的制备提供新的思路。 

  图4.PEDOT膜上水写/电擦图案

  相关研究结果以“Rewritable PEDOT Film Based on Water-Writing and Electroerasing”发表在ACS Applied Materials & InterfacesDOI10.1021/acsami.1c09531)。该文章的第一作者武萍萍为中国科学院大学博士研究生(培养单位:中国科学院理化技术研究所)。该工作得到国家自然科学基金的支持(5187322152073292516732075137318361634006)。 

  论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c09531 

责任编辑:高塬