當光致變色材料受到紫外線或可見光照射時，其顏色和光學特性將發生可逆改變。這種材料由有機化合物制成，而有機化合物合成通常非常昂貴。據報道，日本立命館大學的科學家們首次在廉價無機材料中發現了快速轉換的光致變色現象。該無機材料是一種摻雜銅的硫化鋅納米晶體。此次研究結果為其在智能適應性玻璃窗、太陽鏡和防偽劑等眾多潛在應用鋪平了道路。
辦公大樓的玻璃窗可根據日照強度自適應變暗，眼鏡在太陽下可自動變為太陽鏡，并在進入大樓后恢復為普通眼鏡。這都得益于光致變色材料的發明，且以上這些發明均有可能實現。如今，幾乎所有快速轉換的光致變色材料都是由有機化合物制成，不僅價格昂貴且合成復雜，處理過程也比較繁瑣，難以實現大規模生產。因此，盡管該材料具有無數潛在應用，但其商業應用受到限制。為實現商業化，尋找一種可快速轉換的無機光致變色材料非常具有挑戰性。
（圖片來源：立命館大學）
在該研究中，由Yoichi Kobayashi副教授領導的日本立命館大學的研究小組發現，摻雜銅（Cu）離子的硫化鋅（ZnS）納米晶體具有獨特的光致變色特性。當受到紫外線和可見光（UV-Vis）照射時，這些晶體會從乳白色變成深灰色。有趣的是，關閉輻射源后，該材料在空氣中恢復到原來的乳白色大約需要整整一分鐘的時間，而浸入水溶液時僅需只有幾微秒。研究小組從理論和實驗上分析了這種材料，決定探索這種特殊的光致變色行為的復雜性。
為什么銅摻雜的硫化鋅納米晶體在被光照射時會改變顏色，又為什么要花很長時間才能恢復到原始顏色呢？正如研究結果顯示，這與光激發電荷載流子的動力學有很大關系。當光子撞擊材料時，碰撞會激發電子，使它們偏離分子軌道上原本穩定的位置。失去電子后會留下局部的正電荷，在固態物理學中，該電荷被稱為“空穴”。
在多數材料中，電子-空穴對在相互抵消之前會存在很短的時間，從而重新釋放電子最初獲得的部分能量。但是，在摻銅的硫化鋅中，情況大不相同。空穴被Cu離子有效捕獲，而光激發的電子可以自由地跳到其他分子上，從而延遲重組過程。研究表明，空穴長時間存在會改變材料的光學特性，從而引起光致變色效應。
首次發現快速轉換光致變色的無機納米晶體是該領域的重大進展，特別是在實際應用方面。Kobayashi表示：“硫化鋅相對無毒，其合成過程簡單且低廉。相信我們的研究成果將推動快速轉換光致變色材料在生活中的廣泛使用。”光致變色材料通常可應用在3D電視、智能眼鏡、車輛和房屋窗戶、高速全息存儲器以及重要品牌和藥品的高級防偽劑。
此外，這項研究也有益于應用光學物理學其他領域的研究人員。Kobayashi表示：“我們已經證明，通過控制光激發載流子的壽命可以調節納米材料的光致變色反應。而研發具有超長壽命激發載流子的新型納米材料，對于光致變色材料及先進光功能材料都非常重要，例如發光材料和光催化劑。”此項研究可為包括自適應照明在內的光致變色的實際應用鋪平道路。
