當(dāng)用紫外線或可見(jiàn)光照射時(shí)，光致變色材料可以可逆地改變其顏色和光學(xué)性質(zhì)。但是，它們是由合成昂貴的有機(jī)化合物制成的。幸運(yùn)的是，立命館大學(xué)的科學(xué)家們首次在廉價(jià)的無(wú)機(jī)材料中發(fā)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)換的光致變色現(xiàn)象：摻雜銅的硫化鋅納米晶體。他們的研究結(jié)果為從智能適應(yīng)性窗戶和太陽(yáng)鏡到防偽劑等眾多潛在應(yīng)用鋪平了道路。

當(dāng)辦公大樓的窗戶根據(jù)日照強(qiáng)度適應(yīng)性變暗時(shí)，是否方便?還是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)眼鏡變成太陽(yáng)下的太陽(yáng)鏡并在進(jìn)入建筑物時(shí)又切換回去?歸功于光致變色材料，這種壯舉是可能的，光致變色材料的光學(xué)(和其他)特性在受到可見(jiàn)光或紫外光照射時(shí)會(huì)發(fā)生根本性變化。

如今，幾乎所有快速轉(zhuǎn)換的光致變色材料都是使用有機(jī)化合物制成的。不幸的是，這使得它們相當(dāng)昂貴且合成復(fù)雜，需要難以大規(guī)模用于大規(guī)模生產(chǎn)的多步驟工藝。因此，盡管這些材料可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)的潛在應(yīng)用，但其商業(yè)應(yīng)用受到了限制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)尋找快速切換的無(wú)機(jī)光致變色材料，其可以使那些潛在的應(yīng)用在商業(yè)上廣泛地應(yīng)用。但是，發(fā)表在《化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上的一項(xiàng)新研究為該領(lǐng)域帶來(lái)了新希望。

在這項(xiàng)研究中，立命館大學(xué)的一組科學(xué)家在小林洋一副教授的帶領(lǐng)下發(fā)現(xiàn)，摻雜銅(Cu)離子的硫化鋅(ZnS)納米晶體具有獨(dú)特的光致變色特性。當(dāng)受到紫外線和可見(jiàn)光(UV-Vis)照射時(shí)，這些晶體從乳白色變成深灰色。尤其有趣的是，關(guān)閉輻射源后，材料在空氣中恢復(fù)到原來(lái)的乳白色大約需要整整一分鐘的時(shí)間，但是浸入水溶液中的時(shí)間只有幾微秒的時(shí)間。研究小組從理論上和實(shí)驗(yàn)上分析了這種材料，決心澄清其從未見(jiàn)過(guò)的光致變色行為的復(fù)雜性。

但是，為什么銅摻雜的ZnS納米晶體在被光照射時(shí)會(huì)改變顏色，又為什么要花很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)到原來(lái)的顏色呢?正如科學(xué)家證明的那樣，答案與光激發(fā)電荷載流子的動(dòng)力學(xué)有很大關(guān)系。當(dāng)光子撞擊材料時(shí)，碰撞會(huì)激發(fā)電子，使它們?cè)诜肿榆壍郎媳３衷痉€(wěn)定的位置。電子的不存在會(huì)留下局部的正電荷，在固態(tài)物理學(xué)中，該電荷被稱為“空穴”。

在大多數(shù)材料中，電子-空穴對(duì)在相互抵消之前會(huì)存在很短的時(shí)間，從而重新釋放電子最初獲得的一部分能量。但是，在摻Cu的ZnS中，情況卻大不相同?？昭ū籆u離子有效地捕獲，而光激發(fā)的電子可以自由地跳到其他分子上，這些作用會(huì)延遲重組過(guò)程。正如該團(tuán)隊(duì)所證明的那樣，長(zhǎng)壽命孔會(huì)改變材料的光學(xué)特性，從而導(dǎo)致觀察到的光致變色效應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)具有快速轉(zhuǎn)換的光致變色現(xiàn)象的第一個(gè)無(wú)機(jī)納米晶體的發(fā)現(xiàn)代表了該領(lǐng)域急需的進(jìn)展，特別是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言。小林說(shuō)：“硫化鋅是相對(duì)無(wú)毒的，可以很容易地以低成本合成。” “我們相信我們的研究將導(dǎo)致快速響應(yīng)的光致變色材料在社會(huì)中的廣泛使用。” 這種光致變色材料的顯著應(yīng)用示例包括3D電視，智能眼鏡，車輛和房屋的窗戶，甚至是高速全息存儲(chǔ)。它們還可以用作重要品牌和藥品的高級(jí)防偽劑。

此外，這項(xiàng)研究對(duì)愿意深入研究應(yīng)用光學(xué)物理學(xué)其他領(lǐng)域的研究人員也有影響。在這方面，小林說(shuō)：“我們已經(jīng)證明，可以通過(guò)控制光激發(fā)載流子的壽命來(lái)調(diào)節(jié)納米材料的光致變色反應(yīng)。探索具有超長(zhǎng)壽命激發(fā)載流子的新型納米材料，不僅對(duì)于光致變色材料，而且對(duì)于先進(jìn)材料也很重要。光功能材料，例如發(fā)光材料和光催化劑。”

這項(xiàng)研究可以為包括自適應(yīng)照明在內(nèi)的光致變色的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。

標(biāo)簽： 硫化鋅