在數字化時代，屏幕已成為我們生活中不可或缺的一部分，但傳統顯示屏的高能耗和藍光問題也引發了人們對健康與環保的擔憂。墨水屏以其低功耗和護眼特性受到青睞，卻因色彩單一而難以滿足多樣化需求。

如今，一項突破性的電致變色技術正試圖打破這一局限——它不僅能實現豐富的色彩顯示，還保留了墨水屏省電、護眼的優勢。中國科學院蘇州納米所趙志剛研究員團隊通過創新的材料設計和電極結構優化，為下一代顯示屏的發展開辟了新路徑。這項技術將如何提升我們的視覺體驗？讓我們一同了解這項技術的原理及應用前景。

傳統墨水屏存在短板

電子書閱讀器上常見的墨水屏（也叫電子紙），因其不發光、類紙張的顯示方式，被廣泛認為比傳統屏幕更護眼，尤其適合長時間閱讀。同時，它的能耗也非常低，一塊電池可以使用數周，深受用戶歡迎。

傳統墨水屏

（圖片來源：Wikipedia）

不過，墨水屏也有一個明顯的短板——大多只能顯示黑白灰三種色調，無法呈現彩色內容。這意味著它在閱讀插圖、漫畫、教材、圖表，以及顯示多彩界面的應用中，表現力遠遠不如彩色屏幕。隨著技術的發展，人們對彩色電子紙的需求越來越強烈。尤其是在零售店的電子價簽、教育用的電子教材以及可穿戴設備等應用場景中，人們不僅追求屏幕的低能耗和護眼特性，還希望它能呈現豐富的色彩信息。

彩色墨水屏的現有缺陷

目前市面上已經有一些彩色墨水屏產品，但它們的顯示效果仍然不理想。很多人第一次看到彩色電子紙時，常常會覺得顏色發灰、發暗，遠不如普通手機或電腦屏幕那么鮮艷清晰。

這是因為，現在主流的彩色墨水屏大多通過在黑白墨水層上方加一層彩色濾光片來實現顏色顯示。這種方式相當于把顏色“蓋”在原來的圖像上，會導致屏幕亮度降低，顏色對比度減弱，可呈現的色域范圍也較為有限。

主流彩色墨水屏是依靠彩色濾光層來實現顏色顯示的

（圖片來源：Wikipedia）

此外，彩色墨水屏的刷新速度也比普通屏幕慢很多。頁面快速切換、動畫、視頻......這些功能在普通屏幕上能夠流暢運行，在彩色電子紙上往往表現遲緩甚至無法實現。

更重要的是，這種“濾光片疊加”的原理本身有物理上的限制，同時做到色彩豐富、亮度高、節能護眼，是非常困難的。因此，雖然彩色墨水屏已經存在，但它們在顯示效果、響應速度和應用范圍上，仍遠遠落后于傳統的彩色顯示技術。

全新技術豐富墨水屏色彩呈現

為了解決彩色墨水屏色彩暗淡、響應慢、顯示不夠豐富等問題，研究人員一直在尋找新的解決方案，其中，電致變色技術成了一種有潛力的新技術。

所謂電致變色是一種材料特性，指的是材料在電壓的作用下，會發生顏色變化，并且這種變化是可逆的，也就是說顏色可以來回切換。從原理上說，這是因為電壓改變了材料對光的反應方式，比如它對光的反射、吸收或透過能力發生了變化，進而導致我們看到的顏色發生改變。不同于傳統的顯示屏通過發光來呈現圖像，電致變色材料是通過調控光線的反射，在外界光的照射下呈現顏色，所以它不需要持續供電發光，能耗更低，也更護眼。

一些大型飛機上的變色窗就是電致變色的典型例子

（圖片來源：Wikipedia）

過去幾年，科學家們嘗試在電致變色電極結構中引入光學諧振腔，也就是通過納米尺度的人工結構來調控光線。這些嘗試在實驗室層面已經顯示出巨大的潛力，成功實現無色透明材料的彩色顯示功能。

但問題在于，這種具有彩色顯示功能的電致變色器件，在單個器件中顏色變化非常有限，通常在3—4種顏色之間進行切換，難以呈現出豐富多樣的顏色轉變效果，無法真正轉化為高性能的顯示產品。

為了解決這個難題，我們團隊（中國科學院蘇州納米所趙志剛研究員團隊）開創性地提出一種新型電致變色策略。

我們在電致變色電極表面搭建了一個叫“法布里-珀羅諧振腔”的光學結構，根據薄膜干涉原理，通過改變諧振腔中介質層的厚度，即可精準控制反射光的顏色，從而決定我們所看到的顏色。基于此，我們利用介質層材料（二氧化錳）的可逆電化學沉積-溶解特性，提出了一種在電極表面原位重構法布里-珀羅諧振腔的新型電致變色策略。這種電致變色策略以一個簡單的過程，實現了器件顏色的多樣化轉變。

可重構諧振腔型電致變色原理示意圖

（圖片來源：《先進材料》）

基于上述電致變色原理，我們利用電化學手段精確控制二氧化錳層的厚度，在同一電致變色器件中實現了從黃色、橙色、紅色、紫色、藍色、青色到綠色的連續、動態色彩轉變。不僅可以展現出7種典型顏色，其中過渡色（例如橙黃色、黃綠色、紫紅色等）也都可以呈現。

超寬色域下的電致變色展示

（圖片來源：《先進材料》）

這種新型的電致變色器件具有多個優點：工作電壓范圍窄，在0.2—1.8 V（伏特）之間；雙穩態保持性優異，斷電時仍能保持顏色，穩態時間超8小時；能耗極低，每平方厘米的功率消耗僅為2.3 mW（毫瓦）；循環穩定性良好，1000次循環后顏色保持率大于95%。

新技術在“七色花”上的應用展示

該技術無需借助彩色濾光片即可實現彩色顯示。我們將器件制成“七色花”形狀，可以實現多種顏色動態變化。將每個電致變色器件作為單個像素點，制備成像素陣列顯示原型器件，不僅可以呈現豐富的顏色變化，還可以通過電化學手段進行信息的寫入（變色）和擦除（褪色），從而實現數字化顯示效果。

“七色花”可逆電致變色展示

“七色花”電致變色過程展示

像素陣列器件可逆變色和柔性展示

像素陣列器件通過電化學寫入/擦除展示數字1~9

（圖片來源：《先進材料》）

得益于這種新型電致變色策略，我們制造出的電致變色器件不僅能在同一器件中實現從黃色到綠色七種顏色的連續、動態色彩轉變，還具備出色的電致變色性能表現。

此外，該方案不依賴昂貴的貴金屬，也不需要復雜的納米制造工藝，成本更低、制造工藝更兼容現有生產線，為彩色墨水屏的實用化和商業化打開了新局面。

低功耗、全彩色的顯示屏，離我們越來越近了

這項新型電致變色顯示技術的出現，標志著彩色墨水屏在顯示質量上取得重要突破。該技術不僅顯著提升了彩色墨水屏的色彩表現力和視覺體驗，同時還保留了傳統墨水屏的核心優勢：超低功耗、護眼特性以及持久穩定的顯示效果。

未來，這類技術有望應用在多個領域，比如商店貨架上的電子價簽、公交站的智能公告牌、低功耗的可穿戴設備、家庭中的智能標簽等。值得期待的是，它可能進入電子閱讀器領域，讓用戶在享受文字閱讀的同時，也能流暢瀏覽彩色插圖、圖表乃至漫畫內容。

雖然這項技術仍處于實驗室研發階段，距離大規模商業化應用尚需時日，但它展示了一個極具發展潛力的技術方向：在不依賴高能耗發光的情況下，也能實現豐富、靈活的彩色顯示。隨著相關技術的不斷成熟，在不久的將來，我們或許能夠見證新一代顯示屏的普及——它們不僅更加節能環保、呵護雙眼，還能呈現絢麗多彩的畫面效果。

出品：科普中國

作者：唐雪晴（中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所）

監制：中國科普博覽