从离子相变到智能玻璃

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阅读此篇推送并留言，就有机会获得一次到世界一流大学——“加利顿大学”的访问机会。为回馈广大读者常年以来的支持，本次的幸运读者将先乘坐带有智能变色舷窗的波音787-8 Dreamline抵达加利顿的首都——减利顿，

再乘坐配备驾驶舱智能雾化分隔玻璃的ICE-3城际特快抵达加里顿大学。

住宿将安排在大学内部的安装有电致变色玻璃的酒店。

一切费用都将由组织承担，希望大家踊跃留言，积极转发（来降低自己的中奖几率）。看看哪几位幸运儿可以获得这次奢华的访问机会呢！

机智的你一定发现这一切并不是那么简单。透过现象看本质，这分明是一篇十分正经的科普文章啊！

（言归正传）智能玻璃到底是什么，又需要什么材料去实现呢？那么今天我们要介绍的这篇文章怎么就能让这样的智能玻璃与我们的生活又靠近一大步呢？

这篇文章介绍的是于浦老师和他领导的团队6月1日在《自然》杂志发表的关于“选择性双离子开关电场控制的三态结构相变”的论文。这么长的名字大家一定都被吓到了吧。不瞒您说，小编第一次看到这篇论文也完全迷失了。

但大伙不必惊慌，前方雷区已经被小编事先排过一遍了。这篇文章理解起来还是相对友好的，以小编不高的智商也能短时间内在老师的悉心讲解下初步了解了文章的主要内容。若是大家看完这篇推送后也能对这篇文章有一定了解，那么写这篇推送的目的也就达到了。

要充分了解一篇文章，我们首先需要知道其所对应的学术背景。这样才可以更好的了解到这篇文章具体干了什么，有哪些突破。

若是大家关注科学前沿的最新进展，定会发现过渡金属氧化物材料体系是近年来的一个研究热点。过渡金属氧化物，顾名思义是由过渡金属离子和氧离子组成的材料体系。其物性包罗万象，显示出由绝缘体，金属，到超导体的各种电学特性以及多种磁学特性。传统上，研究人员一般通过利用外加压力（千锤百炼）和化学掺杂（炼丹）等调控手段实现新型物态的设计。而这篇文章恰好是在氧化物方面大做文章，提供了一个新的研究手段。在模型体系SrCoO2.5中，于浦老师领导的一个研究团队通过电场调控离子的插入和析出，实现了三个不同物相之间的调控。其实基于离子调控的应用早已深入生活，如锂离子电池就正是利用了锂离子在材料中的可逆插入和析出实现的。然而在这篇文章之前，对于单一材料，人们只能实现单一离子（锂离子、氧离子或者氢离子）的调控，而这篇文章却做到了双离子（氧离子和氢离子）电场控制下的三相可逆调控。

暂且不说什么是“相”，就是这从单到双，由两及三的进步，就能带来无限可能！先不谈这篇文章的成果有多么大的用处，就是这开创性由单一变多元，便能为材料物性调控的研究注入很大的活力！

看到这里，大伙一定很想去了解这篇文章中“选择性双离子开关电场控制的三相相变”到底是个什么东东吧？在介绍原理之前，不妨先为诸位理理，这“相”到底是什么。“相”，我们可以理解为一种状态。就拿水来举个例子吧。众所周知，水有三态：气、液、固，这三态就可以称之为三相。相变也就意味着在不同的状态下转换的过程。若是机智的同学可以将这里的相变与八卦图中的斗转星移联系在一起理解，小编表示内心毫无波动并主动献上了膝盖。了解了什么是“相”，让我们看看这“选择性双离子开关电场控制的三相相变”的原理是怎样的。于浦老师课题组选择了氧化物SrCoO2.5作为相变的基础物质。在这种材料中，因为晶格中存在着本征有序的氧空位，外来离子可以实现对此空位的填充和占位。他们发现可以通过外加电场将氢离子与氧离子有序的掺杂在物质中以实现结构相变，即改变了原来的晶体结构，变成了具有新的物质属性的晶相。这话看似专业，其实很好理解。想必大家都知道乐高玩具（LEGO）吧（附图）。

就像搭积木一样往原装备上加零件，不同零件的组合，就会得到具有不同新的结构。而这里将通过不同离子的组合形成具有不同晶体结构和物性的新材料（见附图）。

让强迫症无比兴奋的事实是，这种相变是充分的，百分之百的！也就是说这理论上来说通过相变得到的是一件24K纯新的“装备”！这一点可以通过其X-射线衍射的变化来验证。（附图）

但是，你们是不是忽略了什么重要的东西（手动滑稽）。

......

是的！这是三相之间的自由切换啊！ 三相切换意味着什么，意味着你只需拿着这一件装备，就可以在合适的时机给它加点零件让它完全变成另一件装备使啊！

文章中是怎么实现三相之间的切换的呢？具体来说，是将锶钴氧化物制成薄膜，并在膜上设置离子液体环境，加上电压以达到掺杂离子的目的，通常这种方式称为离子液体调控。这里要提一下什么是离子液体，离子液体就是一种有机盐，其熔点低于室温，所以其存在形式为具有游离离子的液态。在电压的作用下，正负离子可以分离，在电极界面处形成电双层。因为电双层的维度非常小，只有几纳米厚，所以在电双层处可以形成巨大的电容和电场强度，其提供了一种离子注入的驱动力。那么你不禁要问，里面的H⁺离子和O^2-离子又来自于哪里呢？答案是来自于离子液体中的水。水在我们的环境中无处不在，离子液体中也存在着一定量的水分子。而痕量的水就足够提供离子注入所需的H⁺离子和O^2-离子。小编初次听到这个方法的时候，脑补出的画面是这样的（附原理图）。

有了水提供的离子来源，又有离子液体电双层提供的强大驱动力，离子注入和抽出才会在电场控制下得以实现（附原理图）。

 于浦老师进一步告诉小编，这些相之间的转换条件不需要苛刻的高温高压，而只需要室温下通几伏的直流电压即可，所需的水量也是极少的，我们所说的“干燥环境”就足以提供足够的水了！这简直像开挂一样，大大便利了这项技术的广泛应用啊！（附图 我冷静就是这样）

小贴士

作为严谨的理科男，自然而然的应该想到要验证HSrCoO2.5中的H的确来自水。这里于浦老师课题组利用重水D2O置换离子液体中水的方法，即同位素标定的方法，发现H(D)SrCoO2.5中存在着大量的氘(D)。这就完美地验证了HSrCoO2.5中的H的确来自离子液体中的水。

那么合成的新装备都有些什么特性呢？又和前面提到的智能玻璃有什么关系呢？经过对其结构以及三相相变的实验检验，于老师团队发现锶钴氧化物及其三相相变会有突出的光学和电磁学性质。

就其光学性质而言，锶钴氧化物的三相相变会改变材料对光谱中不同波长光的透光度。这种改变主要体现在可见光与红外波段。（附图）

对于可见光和红外光，可见光可以实现环境亮暗的调节；而红外光具有热效应，可以实现环境凉暖的调节。目前三相调节可以做到全透、进红外光挡可见光以及全部挡光这三种状态。当然了，这里的“全”是相对波长而言，而不是相对透射率。不难想象，这样的调控对应着广泛的应用前景。如建筑物的朝阳面玻璃若是应用了类似材料，可以根据所需光线强弱，直接调节朝阳面玻璃的可见光波段透射率，即可通过改变电压直接调节明暗，从而达到有效的节能效果。此外，冬天可以在不妨碍可见光波段明暗调节需求的前提下提高红外波段的透射率增加室内温度。反之，夏天可以降低红外波段的透射率来减小外界带来的辐射升温，同时不妨碍可见光波段明暗的调节需求。处在北半球盛夏时节的你，是不是很想赶快感受一下这种神奇材料制成玻璃的强大威力呢？要知道太阳辐射透过地球大气层到地球表面，红外占太阳光谱总能量的比例要增大到约六成呢。

更重要的是，这是一种具有“非挥发性”的相变，即撤掉电压后，其相变后的结构和性能会得到长久的保持，这就会大大减少了维持相变所需的能源消耗。飞机舷窗、汽车车窗、后视镜、反光镜、智能佩戴物、甚至在轨运行的飞船或者空间站内窗（即使在地球轨道空间，太阳辐射也有约四成是红外组分，仍然会效用显著）等方面都可以让这装备大显身手。 

以为这就是装备的全部功能了吗？No！

它在电磁学方面性质的应用同样不可小觑。该氧化物通过电场调控实现的三种相还对应着三种迥异的磁基态，即铁磁金属的SrCoO3-δ，反铁磁绝缘体的SrCoO2.5及弱铁磁绝缘体的HSrCoO2.5。应用中，可以通过电场控制这些相之间的切换，实现多磁态之间的电场调控。传统上，材料磁态的调控需要通过磁场实现，需要很大的能耗。而电场对于磁性的调控，既所谓的磁电耦合效应，则能显著的降低能耗，从而在新型自旋电子学器件中具有广泛的应用前景。

取得了这样突破性的成就，可以说这篇文章的价值是不言而喻的。那么于浦老师团队接下来有怎样的计划呢？

就目前而言，锶钴氧化物在光学、电磁方面的优良性质已经得到了验证。但其实这只是锶钴氧化物特性的一部分，更多的应用可能将会在对其物性的进一步了解之后逐渐呈现出来。所以对其结构及其相关物性的深入研究将会是下一阶段的重点。还有呢，我们目前所知道的是锶钴氧化物可以进行双离子三相调控，展现了诸多优异特性。如果把眼界再放宽，那么我们完全有理由相信比三态更多的调控是完全有可能实现的。如果再对与钴酸锶氧化物具有类似结构的氧化物进行类似的操作，更是有极大可能孕育出具有更加优越性质的新物相和新物性。

衷心希望于浦老师及其课题组在科研上不断实现新的突破！

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