MATERIAŁY ELEKTROCHROMOWE
(ELECTROCHROMIC MATERIALS)

Materiały elektrochromowe należą do grupy materiałów inteligentnych zmieniających kolor.

Cechą charakterystyczną tych materiałów jest elektrochromizm, czyli zdolność do odwracalnych zmian optycznych, pod wpływem przepływu elektronów (a więc pod wpływem działania prądu elektrycznego). Zmiany optyczne polegają na widzialnej zmianie koloru; może to być przemiana z substancji bezbarwnej do zabarwionej lub przemiana typu kolor - kolor. Zmiany mogą zachodzić w materiale, który jest utleniony (ma niedobór elektronów) lub zredukowany (nadmiar elektronów).

Materiały elektrochromowe

W przypadku gdy są dostępne więcej niż dwa stany redoks, jeden materiał elektrochromowy może przybierać różne barwy, zjawisko to opisywane jest jako polielektrochromizm. Zmiany optyczne mogą być obserwowalne nie tylko przez ludzkie oko, ale  także w podczerwieni i zakresie mikrofal.

Cechy które decydują o jakości danego materiału elektrochromowego są podobne jak w przypadku materiałów fotochromowych: czułość, czas reakcji, stabilność elektrochromatyczna i termiczna, trwałość (możliwa liczba cykli) oraz możliwość recyklingu bez starty charakterystycznych własności.
Zjawisko elektrochromizmu są obserwowane wśród materiałów nieorganicznych jak i organicznych. Najważniejsze grupy tych substancji to:

- przewodzące tlenki metali

Po raz pierwszy zaobserwowano elektrochromizm w trójtlenku wolframu WO3 w 1969, do dzisiaj jednym z najczęściej i najchętniej używanych materiałów elektrochromowych.
Efekt elektrochromizmu dla WO3 w uproszczeniu opisuje się równaniem:

gdzie: M+ = H+, Li+, Na+ lub K+
0<x=<1
e- oznacza elektrony
Znane są również inne tlenki metali, potrafiące zmieniać kolor pod wpływem przepływu elektronów, są to m.in. trójtlenek molibdenu MoO3, pięciotlenek dwuwanadu V2O5, pięciotlenek dwuniobu Nb2O5:

Własności WO3 i V2O5 zmierzone w próżni

Do tej grupy zalicza się także szereg wodorotlenków, np. trójwodorotlenek irdu Ir(OH)3, wodorotlenek niklu NiOxHy, i inne.
"Urządzenie elektrochromatyczne", jakim jest np. szyba, składa się z pięciu aktywnych warstw:

Dla szyb najwłaściwszym materiałem na "pracującą" elektrodę jest trójtlenek wolframu. Szybkość zmiany kolorów jest stosunkowo mała i jest uzależniona od szybkości przemieszczania się jonów w warstwie elektrolitu.

- błękit pruski (heksacyjanożelazian(II) żelaza(III)

Reakcje chemiczne towarzyszące elektrochromizmowi przy heksacyjanożelazianach zapisuje się jako:

- sole 1,1'-(podstawione grupy)-4-4'dwupirydyny

W stanie czystym są bezbarwne; przybieranie określonych kolorów jest uzależnione od podstawionej grupy chemicznej (może to być np. grupa metylowa, etylowa itd).

Cechą tych substancji jest szybki czas reakcji (relatywnie do innych materiałów elektrochromowych).

- polimery przewodzące

W efekcie utleniania chemicznego lub elektrochemicznego wiele substancji aromatycznych, takich jak pirol, tiofen, anilina, furan, karbazon, azulen i indol przechodzi w polimery (polipirol, politiofen, polianilina, itd.). Polimery te w stanie utlenionym lub zredukowanym bardzo dobrze przewodzą prąd, podczas gdy w stanie obojętnym są izolatorami. Polimery te, gdy przewodzą prąd, wykazują cechy elektrochromizmu.

Polianilina jest zdolna do wielokrotnej zmiany kolorów: przezroczysty żółty - zielony - ciemnoniebieski - czarny.
Kolory polimerów przewodzących mogą być "dostrajane" poprzez podstawienie różnych grup chemicznych.
Ważnym ze względu na swoje własności polimerem przewodzącym jest poli(3,4-etylenodwutlenotiofen), znany jako PEDOT lub PEDT, ze względu na swoją długą żywotność, mały potencjał utleniania, kolory o dużym kontraście oraz szybki czas reakcji.
W praktyce dokonuje się kombinacji polimerów przewodzących ze wspomnianym błękitem pruskim.

- związki kompleksowe metali oraz metalopolimery

Zarówno związki kompleksowe metali, jak i metalopolimery to skomplikowane chemicznie czšsteczki spośród których szereg wykazuje własności elektrochromatyczne.

Przykładem jest kombinacja kompleksu dwypirydynianu rutenu (II) z ligandami BHD i PQIR:

Otrzymywanie tego materiału składa się z kilku etapów: synteza Ru(bpy)2Cl2 i jego późniejsza charakterystyka przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego i podczerwieni synteza ligandów i ich charakterystyka przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego i spektrometrii masowej. Synteza monomerycznych i dimetrycznych kompleksów metali/ligandów oczyszczanie związków kompleksowych przy użyciu chromatografii i spektroskopii UV. analiza składników, szczególnie własności spektroelektrochemicznych, redoks i absorpcji. Naniesienie otrzymanego materiału elektrochromowego w przewodzące prąd elektryczny błony

Największą i właściwie jedyną przeszkodą w stosowaniu związków kompleksowych rutenu jest ich cena - w związku z tym stosuje się zamiast nich kompleksy cyjanożelaza, które mają przybliżone własności jak kompleksy rutenu.

- ftalocyjaniany metali

Ftalocyjaniany to czteroazoczterobenzo - pochodne porfiryn.

Polielektrochromizm bis(ftalocyjanianu) lutetu [Lu(ftalocyjanian)2] zaobserwowano już w 1970 roku, od tego czasu otrzymano wiele podobnych substancji. [Lu(ftalocyjanian)2] może zabarwiać się aż na pięć kolorów (jaskrawozielony, żółty, czerwony, zielony, niebieski), chociaż ze względów technicznych używane są tylko dwa (przemiana niebieski - zielony); jego zaletami są: szybki czas odpowiedzi i duża możliwa liczba cykli pracy (nawet ponad 5*106 cykli).

W każdej z powyższych grup systematycznie odkrywane są kolejne związki o interesujących właściwościach elektrochromizmu, stąd dynamiczny rozwój tego segmentu nauki.

Rozpatrzmy błonę poli(tieno[3,4-b]tiofenu) otrzymaną poprzez polimeryzację elektrochemiczną (na elektrodzie szklanej pokrytej warstwą indu z domieszką tlenku cyny). Grubość polimerowej błony wynosi 0.8 mikrona. Na zdjęciu A przedstawiono polimer, po przyłożeniu napięcia -0.8 V. Kiedy napięcie wyniesie  +0.4 V, polimer przechodzi do stanu przewodzenia i staje się bezbarwny (charakterystyczna jest tu duża przezroczystość materiału).

Możliwe jest połączenie materiałów elektrochromowego z materiałem fotochromowym:

Kiedy powierzchnię pada światło słoneczne, przechwytywana jest część elektronów, które są przydzielane do dwutlenku tytanu TiO2. Następnie elektrony są transportowane do sąsiedniej warstwy i poprzez zewnętrzny obwód elektryczny do przewodzącej warstwy, leżącej koło warstwy elektrochromowej, znajdującej się po przeciwnej stronie urządzenia. Przepływ elektronów w powrotną stronę powoduje migrację jonów jodu poprzez dwutlenek tytanu (w stanie stałym lub ciekłym) do warstwy elektrochromowej. W efekcie następuje zmiana koloru.
Kiedy swiatło słoneczne przestaje padać, następuje ruch powrotny jonów - warstwa elektrochromowa staje się ponownie bezbarwna.

Materiały elektrochromowe ze względu na swoje własności pozwalają na przydatne i interesujące zastosowania w życiu codziennym.
Produkowane są "inteligentne szyby", które stają się ciemne, po nacisnięciu jednego przycisku (włączającego obwód elektryczny) - zapewniają redukcję straty ciepła, nie dopuszczają do przegrzania pomieszczenia i bardziej komfortowe warunki użytkowania, umożliwiają kontrolę przepuszczanego promieniowania słonecznego i podczerwonego.

Zmniejszenie przejrzystości takich może wynosić 5-80%, a wymagane napięcie wynosi zaledwie 1-3 V i jest potrzebne tylko odo zmiany stanów (a nie do ich podtrzymywania). Firmami produkującymi tego typu szyby są m.in. amerykański NREL i niemiecki Flabeg.

Zmiany wyglądu szyb elektrochromowych

Materiały elektrochromowe są wykorzystywane także we wstecznych lusterkach samochodowych - gdy kierowca jest oślepiany światłami samochodu jadącego za nim, jednym przyciskiem sprawia że lusterko przybiera przyciemniony kolor.

Inne potencjalne zastosowania substancji o własnościach elektrochromowych to: sieci neuronowe, baterie litowe, pamięci ferroelektryczne, czujniki, obwody optoelektryczne i nadprzewodniki.