在自然界中，有一種天生的「刺客」，根據自身所處環境調節皮膚的色彩，與周圍環境融為一體。憑藉這一獨特優勢，它們捕獲獵物不費吹灰之力，躲避天敵屢試不爽，它們就是變色龍。
圖1 變色龍（圖片來自網絡）
變色龍的這一獨特天賦吸引了科學家的關注。大多數材料並不具有這一功能，但是隨著相關研究的不斷深入，材料百寶庫中有一類「不安分」的成員在科研人員的精挑細選中脫穎而出。這類材料能感知外界各種刺激實現顏色的變化，人送外號「場致變色材料」。
場致變色材料是一類在外場（電、熱、光、氣等）的作用下，能發生穩定、可逆的光學變化的物質統稱，在外觀上往往表現為顏色和透明度的可逆變化。根據外部刺激源的不同，場致變色材料可分為熱致變色材料、電致變色材料、光致變色材料和氣致變色材料等。
圖2 場致變色家族成員
這些材料名字雖然「高大上」，似乎離我們的日常生活很遙遠，但其實隨著科學技術的發展，場致變色材料現如今也飛入尋常百姓家。
熱致變色（TC）
現今的炎夏寒冬，人們應對來自溫度的考驗常常離不開空調，然而在享受這種便捷的同時，我們也要付出環境和健康的代價。那麼大家是否想過，影響房間溫度的關鍵因素之一就是窗戶對於光線的透過，假如我們房間的窗戶玻璃具有「智慧」，能感知環境溫度而自行改變對光線的透過，那麼就有望構造出一個冬暖夏涼的房間。這樣的「智能窗戶」當然不是普通的矽酸鹽材質玻璃能勝任的，這時候就要依靠熱致變色材料。
熱致變色（TC）材料是指在升降溫過程中吸收光譜發生變化的功能材料，它具有透光率或顏色隨溫度改變而變化的特性。
根據熱變色的可逆性，熱致變色材料可以分為不可逆熱致變色和可逆熱致變色兩大類，其中可逆性熱致變色材料的典型代表為二氧化釩（VO2）。
作為一種典型的熱致變色材料，VO2具有在340K附近自發產生可逆半導體-金屬可逆相變的特性，同時引起光學性能的變化（如圖3，4）。當溫度低於340K時VO2為單斜晶系，此時具有較高的紅外透過率，有利於室內溫度的提升；當溫度高於340K時，VO2為四方晶系，紅外線更多地被反射，透過率較低，減少房間對熱輻射的吸收。因此，將熱致變色的氧化釩材料應用於智能節能窗的塗料，可以有效控制太陽輻射熱量，降低建築能耗。
圖3 智能玻璃節能原理及其調控效果（圖片來自網絡）
圖4 熱致變色智能窗節能效果（圖片來自網絡）
熱致變色材料是一種熱記憶功能材料，在建築節能、航空航天等領域具有廣泛應用。在建築節能領域，熱致變色節能窗使用光學性能可調的致變色材料，利用其對各種物理刺激（例如溫度變化，電場、光輻照以及氣體作用等）產生的透反射性能等變化，實現室內環境光熱的可控調節。
圖5 VO2基智能窗示意圖
電致變色（EC）
電致變色（EC）指在電流或電場的作用下，材料發生光吸收或光散射，從而導致顏色產生可逆變化的現象。電致變色材料能主動響應外加電場而產生穩定、可逆的光學變化，可起到靈敏調控內部溫度及光強的作用。
電致變色材料按材料類型大致可分為無機電致變色材料和有機電致變色材料。無機電致變色材料的性能穩定，其光吸收變化是由於離子和電子的雙注入和脫出而引起的。有機電致變色材料的色彩豐富，易進行分子設計，其光吸收變化來自氧化還原反應。
為了實現電致變色材料在圖像顯示、智能材料等方面的作用，需要其具有以下性能：(1)具有良好的電化學氧化還原可逆性；(2)顏色變化的響應時間快；(3)顏色的變化應是可逆的；(4)顏色變化靈敏度高；(5)有較高的循環壽命；(6)有一定的儲存記憶功能；(7)有較好的化學穩定性。
圖6 電致變色器件性能評價指標（左）與波音787客機的可調舷窗（右）（圖片來自網絡）
光致變色（PC）和氣致變色（GC）
此外，場致變色家族成員還有光致變色與氣致變色材料。
光致變色材料（PC）是指化合物A在受到某一波長的光照時，可通過特定的化學反應生成結構和光譜性能不同的產物B，而在另一波長的光照或熱的作用下，B又可逆地生成化合物 A 的現象，即某一物質在兩種狀態之間可逆變化，其中至少一個方向的變化是由光輻射所引起的，例如過渡金屬氧化物（主要有WO3、MoO3、TiO2等)和金屬滷化物（如氯化銅、氯化銀等）。WO3作為一種重要的無機光致變色材料，具有穩定性好、成本低等優點，通過與ZnO納米粒子進行複合，可顯著提升其光致變色效率。
圖7 光致變色材料製備工藝（左）及材料效果圖（右）
氣致變色材料（GC）在接觸某些揮發性有機化合物後會發生顏色或發射率可逆的變化，由於其在化學傳感器、發光二極體和環境監測儀等方面的廣泛應用，近年來受到越來越多的關注。
值得注意的是，雖然大量的有機金屬配合物和配位配合物作為蒸汽色體材料被廣泛地研究，但許多已知的蒸汽色體系統仍然存在穩定性差的問題。例如，當暴露在空氣或真空中時，一些氣致變色材料可以分解氣體分子並迅速恢復其原有的顏色。隨著新型高穩定性蒸汽色體系統的發展，蒸汽色體材料在化學傳感器和電子元件中得到更廣泛的應用。
圖8 合金體系氣致變色鏡（圖片來源於網絡）
圖9 氣致變色可逆轉換
除了上述四類場致變色材料外，變色家族也有其它各顯身手的成員，包括溶劑致變色材料，壓致變色材料等。
場致變色材料的用途不容小覷，其應用涉及信息顯像、汽車工業，建築行業，紡織服裝等諸多領域，但仍有許多瓶頸亟待突破。相信隨著材料體系的不斷開發與性能優化，智能便捷的場致變色材料有望能服務於我們生活的方方面面。
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原標題：敏感善變的場致變色材料丨科普矽立方
來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所轉載自中科院之聲微信公眾號
編輯：Kun