Slim glas kan door elektriciteit snel van kleur veranderen. Een nieuw materiaal ontwikkeld door chemici van de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München heeft nu een snelheidsrecord gevestigd voor een dergelijke verandering.

Stel je voor dat je 's nachts op de snelweg zit. Het regent, de felle koplampen van de auto achter je zijn verblindend. Wat handig om in zo'n geval een automatisch dimmende achteruitkijkspiegel te hebben. Technisch gezien, deze handige extra is gebaseerd op elektrochrome materialen. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, hun lichtabsorptie en kleurverandering. Aangestuurd door een lichtsensor, de achteruitkijkspiegel kan zo sterk verblindend licht filteren.

Onlangs, deskundigen ontdekten dat naast gevestigde anorganische elektrochrome materialen, een nieuwe generatie sterk geordende roosterstructuren kan ook met deze mogelijkheid worden uitgerust:zogenaamde Covalent Organic Frameworks, COF's in het kort. Ze bestaan ​​uit synthetisch geproduceerde organische bouwstenen die, in geschikte combinaties, kristallijne en nanoporeuze netwerken vormen. Hier, de kleurverandering kan worden veroorzaakt door een aangelegde elektrische spanning die een oxidatie of reductie van het materiaal veroorzaakt.

Het LMU-team onder leiding van Thomas Bein (Fysische Chemie, LMU München) heeft nu COF-structuren ontwikkeld waarvan de schakelsnelheden en kleurefficiëntie vele malen hoger zijn dan die van anorganische verbindingen. COF's zijn aantrekkelijk omdat hun materiaaleigenschappen over een breed bereik kunnen worden aangepast door hun moleculaire bouwstenen te wijzigen. Wetenschappers van LMU München en de Universiteit van Cambridge maakten hiervan gebruik om COF's te ontwerpen die ideaal waren voor hun doeleinden.

"We hebben gebruik gemaakt van het modulaire bouwprincipe van de COF's en hebben de ideale bouwsteen voor onze doeleinden ontworpen met een specifiek thienoisoindigo-molecuul", zegt Derya Bessinger, eerste auteur en Ph.D. student in de groep van Thomas Bein. Opgenomen in een COF, het nieuwe onderdeel laat zien hoe sterk het de eigenschappen van de COF kan verbeteren. "Bijvoorbeeld, met het nieuwe materiaal we kunnen niet alleen het kortere golflengte UV-licht of kleine delen van het zichtbare spectrum absorberen, maar ook fotoactiviteit bereiken tot ver in de nabij-infrarode spectrale gebieden", zegt Bessinger.

Tegelijkertijd, de nieuwe COF-structuren zijn veel gevoeliger voor elektrochemische oxidatie. Dit betekent dat zelfs een lage aangelegde spanning voldoende is om een ​​kleurverandering van de COF's te veroorzaken, die ook volledig omkeerbaar is. In aanvulling, dit gebeurt met zeer hoge snelheid:de responstijd voor een volledige en duidelijke kleurverandering door oxidatie is ongeveer 0,38 seconden, terwijl het terugbrengen naar de oorspronkelijke toestand slechts ongeveer 0,2 seconden duurt. Dit maakt de elektrochrome organische frameworks van het e-conversion-team tot de snelste en meest efficiënte ter wereld.

Twee dingen zijn in het bijzonder verantwoordelijk voor de hoge snelheid:De geleidende raamwerkstructuur van de COF's maakt snel elektronentransport in het rooster mogelijk. En dankzij een geoptimaliseerde poriegrootte, de omringende elektrolytoplossing kan snel elke hoek bereiken. Dit is essentieel omdat de positieve lading die wordt gegenereerd in de geoxideerde COF-structuur snel moet worden gecompenseerd door negatieve elektrolytionen. Tenslotte, het product van de wetenschappers uit München heeft een zeer hoge stabiliteit. Langdurige tests toonden aan dat het materiaal zijn prestaties kon behouden, zelfs na 200 oxidatie-reductiecycli.

Met deze fundamentele bevindingen de publicatie bevordert de ontwikkeling van een nieuwe klasse van hoogwaardige elektrochrome coatings. De voor de hand liggende vraag hiernaar blijkt uit de huidige toepassingen van dergelijk "slim glas" als schakelbare zonwering- en privacywerende ramen voor hele gevels van gebouwen.