——“漫谈电子纸”系列（五）
环顾身边，我们会发现有许多物质带有绚丽的颜色，例如橙红色的胡萝卜和蓝色的硫酸铜溶液；而另外一些物质则是无色透明的，像玻璃、水和许多塑料都是如此。为什么会有如此大的差别？我们知道，太阳光中能被人眼感受到的部分，也就是通常所说的可见光，是波长在400～780纳米这个范围的电磁波。可见光中每一种波长的光都能让我们的眼睛感受到特定的颜色，但在太阳光中，不同颜色的光大致均匀地混合在一起，我们感受到的是这些颜色相互叠加的结果——白色。
光在传播过程中难免会遇到这样那样的物质。有的物质允许所有波长的可见光顺利通过，那么在我们的眼中这些物质就是无色透明的；有的物质将其中某些颜色的光吸收而只让剩下的光进入我们的眼睛，那么我们就看到了特定的颜色。例如胡萝卜中的胡萝卜素能够强烈吸收蓝紫光和绿光，却放过了大部分红光和黄光，因此胡萝卜在我们的眼中就会呈现出橙红色。
现在问题来了：为什么有的物质能够吸收光，而另外一些物质则不能吸收？同样是吸收，为什么有的物质会吸收这种颜色的光，而另一种物质则吸收那种颜色的光？
无论是在单个原子或是多个原子组成的分子中，电子都必须按照一定的规律选择自己的位置。如果电子所处的空间是一栋大楼，那么电子必须从最底层开始“入住”。当第一层被全部占满后，还没有被分配到位置的电子会继续占据第二层的空间，然后是第三层、第四层……一般情况下，大楼能够提供的“房间”总是大大多于电子们的实际需要。例如一栋20层的大楼，电子也许只住满了1～7层。住在第七层的电子就有了其他层电子享受不到的“便利”，那就是可以到更高的楼层一游。然而正像我们要付出体力爬楼梯才能上楼一样，电子也不是随随便便就可以进入更高楼层的，而是必须获取额外的能量，而光恰恰能够提供这个额外的能量。吸收光后，电子就可以“更上一层楼”了。
然而并不是所有的可见光都会被电子吸收。我们知道，光的波长越长，它的能量也就越低，所以在可见光中，红光的能量要低于绿光，绿光的能量又低于蓝紫光。假设这栋大楼第八层比第七层高1米，吸收红光、绿光和紫光分别可以让这个电子跳跃0.8米、1米和1.2米；那么吸收红光电子腾空高度不够，吸收紫光又跳过了头；只有绿光的能量最为合适，因此这个电子所处的原子或者分子就会选择性地吸收绿光。在另外的化学物质中，两个楼层的距离可能变成了0.8米或者1.2米，那么电子会吸收红光或紫光而放过其他颜色的光。还有一些物质楼层之间的距离是0.2米或者2米，那么无论什么波长的可见光，它的能量都不再适合电子吸收。这就是为什么有的物质有颜色，而另外的物质则是无色透明的。
图1 原子或者分子中的外层电子需要什么样的能量进入更高的“楼层”决定了这个原子或者分子吸收什么颜色的光。图(a)和图(b)中，红光和绿光分别被吸收，而在图(c)中，任何颜色的可见光都不会被吸收。
前面我们提到，在大部分的化学反应中，原子要么失去电子，要么从别的原子那里获得电子。我们不妨假设某个原子在反应中获得了电子。由于原有的电子占据了大楼的1～7层，新获得的电子只能被安排在第八层。这样一来，原先处在七层的电子不再有机会进入八层，反倒是新来的电子有机会从第八层进入第九层。偏巧这栋大楼中，相邻两个楼层的距离并不相同，第七层与第八层的距离是1米，而第八层与第九层的距离却是0.8米。这样一来，电子吸收的就不再是绿光而是红光。在另一个反应中，这个原子还有可能把原先处在第七层的电子全部拱手相让，于是处在第六层的电子有机会进入第七层，而这两个楼层之间的距离是2米，那么任何颜色的可见光都不再适合。当然，许多化学反应的过程更为复杂，往往是一栋大楼被彻底推平，然后重新建立起新的大楼给电子居住。在这个过程中，楼层之间的距离同样有可能发生变化。这就是许多化学反应往往伴随着颜色变化的原因。
现在让我们回到三氧化钨的例子中来。三氧化钨本身几乎没有颜色，说明所有颜色的可见光的能量都不适合让它的外层电子进入空闲的楼层。然而当与电源负极相连时，三氧化钨额外获取了一些电子，化学结构发生了变化。对于这些电子来说，红光和绿光的能量刚好能够让它们进入更高的楼层，于是这个时候的三氧化钨会强烈吸收红光和绿光而让蓝紫光通过，于是我们就观察到了强烈的蓝紫色。一旦电源反向，这些额外获取的电子被电源正极夺走，三氧化钨又恢复了原本的结构，自然也就不再呈现出颜色。这就是电致变色现象发生的原因。
电致变色这种有趣的现象在上世纪六十年代被发现之后，人们很快意识到了它的潜在价值，首先为它创造的“就业机会”是能自动变暗的汽车后视镜。白天行驶时，后视镜是司机们的好帮手，能够及时传递车辆后方的交通状况。可是一旦夜幕降临，后视镜会强烈反射后方车辆的车灯以及街道上的灯光，反而会对司机造成干扰。通常情况下我们只能手动调节后视镜的角度以减少对灯光的反射，但现在就可以在后视镜的玻璃后方加装一个电致变色装置：在夜间行车时通过施加电压让原本无色的材料变为有色，从而减少后视镜对于灯光的反射。如果把电致变色装置覆盖到玻璃上，就得到了通常所说的“智能玻璃”。它和普通玻璃看上去并无二样，一旦施加电压，就会变得不再透明。目前波音公司在其787客机上就采用了这样的玻璃，乘客无需拉下窗帘，只要轻轻一按就可以调节玻璃的透光程度。
图2 波音787客机上使用的通过电致变色调节透光程度的智能玻璃[1]
基于同样的原理，也可以把电致变色现象用于电子纸技术，而且这样的电子纸设备并不复杂。我们只需要准备两块平板导体作为电极，其中一块电极可以采用前述覆盖了氧化铟锡的玻璃或者塑料来保证良好的透光性，将能够产生电致变色现象的化学物质与其中一端电极接触，再将共同参与化学反应的另一种材料靠近另一端电极[2]，最后用适当的材料将它们分隔开[3]。连通电路后，就可以观察到颜色的变化。如果让顶部的电极某些区域与电源正极相连，而另外一些区域与电源负极相连，我们就可以通过颜色的强烈反差显示特定的文字或者图形。
图3 电致变色式电子纸在施加电压（右）和撤去电压（左）后显示内容的变化[4]。
目前，世界各地的研究人员已经开发出许多应用电致变色现象的电子纸设备，其中有的设备甚至可以随意弯曲。不过同前面提到的电子纸技术相比，电致变色式电子纸还有许多技术难题需要克服。其中一大挑战是目前的加工技术还难以让电致变色式电子纸拥有很高的分辨率[5]，因此它在市场上还很难与电泳显示这样相对成熟的电子纸技术竞争。电致变色这种有趣又重要的现象要想给电子纸技术带来新的变革，仍然有赖于研究人员们的辛勤努力。
下面要出场的电子纸技术与之前提到的几种技术有所不同，它并不是基于新的原理，而是大家的老朋友了。那么它是谁呢？
参考文献和注释：
[1] http://guardianlv.com/2014/03/boeing-787-windows-show-passengers-the-joy-of-flying/
[2] 有的电致变色现象的材料是在与电源负极相连时从无色变为有色，另外一些有电致变色现象的材料则是在与电源正极相连时从无色到有色，因此在设计电致变色式电子纸设备时需要根据具体要求选择合适的材料。与另一端电极相连的材料通常不具有电致变色的能力，但也可以使用另一种电致变色材料，从而实现更为丰富的颜色变化。
[3] 两种反应物也可以直接接触，优点是装置更为简单，缺点是往往需要持续施加电压来保持某一种颜色状态。相反，如果两种反应物被分隔开，特定的颜色状态在电源切断后一般可以保持。
[4]Hong Chul Moon, Timothy P. Lodge, and C. Daniel Frisbie, “Solution Processable, Electrochromic Ion Gels for Sub-1 V, Flexible Displays on Plastic”, Chemistry of Materials, 2015, 27, 1420
[5] Jason Heikenfeld, Paul Drzaic, Jong-Souk Yeo, Tim Koch, “Review Paper: A Critical Review of the Present and Future Prospects for Electronic Paper”, Journal of the Society for Information Display, 2011, 19, 129