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(xué)特性將發(fā)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(jù)報道，日本立命館大學(xué)的科學(xué)家們首次在廉價無機材料中發(fā)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)換的光致變色現(xiàn)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(jié)果為其在智能適應(yīng)性玻璃窗、太陽鏡和防偽劑等眾多潛在應(yīng)用鋪平了道路。
辦公大樓的玻璃窗可根據(jù)日照強度自適應(yīng)變暗，眼鏡在太陽下可自動變?yōu)樘栫R，并在進入大樓后恢復(fù)為普通眼鏡。這都得益于光致變色材料的發(fā)明，且以上這些發(fā)明均有可能實現(xiàn)。如今，幾乎所有快速轉(zhuǎn)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(fù)雜，處理過程也比較繁瑣，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。因此，盡管該材料具有無數(shù)潛在應(yīng)用，但其商業(yè)應(yīng)用受到限制。為實現(xiàn)商業(yè)化，尋找一種可快速轉(zhuǎn)換的無機光致變色材料非常具有挑戰(zhàn)性。
（圖片來源：立命館大學(xué)）
在該研究中，由Yoichi Kobayashi副教授領(lǐng)導(dǎo)的日本立命館大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)，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(guān)閉輻射源后，該材料在空氣中恢復(fù)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(fù)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(fù)到原始顏色呢？正如研究結(jié)果顯示，這與光激發(fā)電荷載流子的動力學(xué)有很大關(guān)系。當光子撞擊材料時，碰撞會激發(fā)電子，使它們偏離分子軌道上原本穩(wěn)定的位置。失去電子后會留下局部的正電荷，在固態(tài)物理學(xué)中，該電荷被稱為“空穴”。
在多數(shù)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(fā)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(xué)特性，從而引起光致變色效應(yīng)。
首次發(fā)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換光致變色的無機納米晶體是該領(lǐng)域的重大進展，特別是在實際應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用光學(xué)物理學(xué)其他領(lǐng)域的研究人員。Kobayashi表示：“我們已經(jīng)證明，通過控制光激發(fā)載流子的壽命可以調(diào)節(jié)納米材料的光致變色反應(yīng)。而研發(fā)具有超長壽命激發(fā)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(fā)光材料和光催化劑。”此項研究可為包括自適應(yīng)照明在內(nèi)的光致變色的實際應(yīng)用鋪平道路。
