“新时代新使命新青年”系列报道之二——蔡国发：寻找大尺寸多功能变色器件的新突破
开栏语
青年兴则国家兴、青年强则国家强。实现中国梦是一场历史接力赛，需要一代又一代青年在实现民族复兴的赛道上奋勇争先，将中国梦不断变为现实。为展现新时代青年科技工作者的风采与担当，激励更多年轻人投身科技事业，树立正确理想、厚植家国情怀、涵养进取品格，在“五四”青年节到来之际，河南省科协推出“新时代新使命新青年”系列报道，展现新时代青年顽强拼搏、开拓进取，怀抱梦想、脚踏实地，敢想敢为、善作善成的精气神，为中国式现代化建设河南实践贡献青春力量。
“新时代新使命新青年”系列报道之二
蔡国发：寻找大尺寸多功能变色器件的新突破
在河南大学材料学院/特种功能材料教育部重点实验室，见到蔡国发时，他正带着一群年轻的硕博研究生进行新型电致变色材料的测试。
几块方形的导电玻璃上，每一块都展示着独特的图案。然而，这些图案并非仅仅是装饰，它们是科技的画布。分别连接两个电极，在电脑上点击指令，奇迹在几秒钟内发生：有的玻璃上的图案颜色由浅变深，而有的玻璃上的图案则像魔法一般消失无踪。“这，就是电致变色技术的应用之一。”蔡国发解释道。
电致变色是指器件在外加电场作用下，其光学性质（如透过率、反射率或吸收率）发生稳定、可逆变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。这一技术在智能节能窗、信息显示、国防工业等军民领域都具有及其重要的应用。
“从2008年，我进入武汉理工大学赵修建教授课题组就开始了金属氧化物光电纳米材料的学习，2011年师从浙江大学涂江平教授便开启了电致变色纳米材料与器件等相关领域的研究。一转眼，就是16年。”蔡国发对此颇为自豪。他所选择的这个研究方向，主要是建筑用智能节能窗、光热调控智能器件、信息显示器件等。“建筑能耗”“光热管理”“节能减排”“健康显示”成为日常挂在他嘴上的高频词。
通过交流得知，蔡国发带领的课题组由30多位充满激情和创新精神的青年科研工作者组成，团队内的青年教师均毕业于国内外顶尖高校或科研院所，一半以上的教师具有海外留学经历。
这个团队主要从事新型电致变色纳米材料、大尺寸和柔性多功能电致变色器件设计与构筑，结构表征及其光学和电化学性质的研究。目前的研究主要集中在开发基于新型电致变色材料的大尺寸多功能器件、柔性节能显示器和变色储能方面的潜在应用。
“电致变色器件在节能建筑、信息显示、国防工业等诸多重要领域具有广泛的应用前景。但目前还存在光学调制范围小、循环稳定性差和器件尺寸小等瓶颈。基于此，我们通过解析变色层-电解质层耦合机制，提出了可控制备金属氧化物基纳米材料的新方法及改性新策略。”蔡国发说，在此基础上，他们研制出了用于构筑大尺寸电致变色器件的系列金属氧化物基变色材料，大幅提升了离子和电子传输速率的适配度。
与此同时，在电致变色材料成膜及器件构建方面，他们通过调控油墨各组分以及与基底间的相互作用，克服了变色材料与透明电极界面兼容性差的难题，实现了高性能电致变色纳米材料的大面积可控组装，研发了制备大面积均匀变色薄膜的关键新技术，构建了大尺寸高性能的电致变色器件。
2020年，在研发一种新型电致变色材料时，他们遇到了预料之外的稳定性问题，一度让整个可以陷入僵局。面对这一僵局，蔡国发首先安慰大家冷静下来，然后带领团队进行反复讨论，跳出原有思维模式，寻找突破口。在蔡国发的积极鼓励和指导下，团队成员坚持不懈地投入实验工作，对收集到的数据进行了细致的分析。经过三个多月的辛勤工作和不懈努力，他们终于揭示了稳定性问题背后的根源，并成功地找到了解决方案。
他和团队研发的新型电致变色纳米材料，具有更快的响应速度、更高的变色对比度和更好的循环稳定性。特别是新研发的Fe基配位聚合物，其响应时间缩短至1秒内，相比传统材料提升了数十倍，且循环稳定性达到了1万次以上。
“针对建筑节能的需求，我们提出了集变色和储能于一体的多功能器件，为绿色建筑的发展提供了新的解决方案。利用电致变色材料的光学调制特性，结合材料的储能特性，开发出了一种能够在调节室内光照的同时储存能量的智能窗，降低建筑能耗20%以上。”他指出。
除了基础研究外，他和团队还积极探索电致变色技术的产业化应用，与多家企业建立了产学研合作关系，共同开发了多款基于电致变色技术的智能窗户和显示器产品。团队开发的电致变色多功能器件生产成本比进口产品降低成本60%以上。2022年，蔡国发主持的科研课题，成为国家自然科学基金委员会的第一个电致变色领域的优秀青年基金项目。
蔡国发说：“未来，我们将踔厉奋发、勇毅前行，进一步深化科技创新，推动电致变色技术在智能节能窗、低能耗显示等军民方面的应用与产业化进程，力争使我们的电致变色技术从实验室走向市场，为对接河南及国家重大战略需求贡献自己的一份力量。”
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