Kobber-doteret zinksulfid ændrer farve reversibelt, når det er belyst og kan bruges i smarte adaptive vinduer

Fotokrome materialer kan reversibelt ændre deres farve og optiske egenskaber, når de bestråles med ultraviolet eller synligt lys. Imidlertid, de er lavet af organiske forbindelser, der er dyre at syntetisere. Heldigvis, for første gang, videnskabsmænd fra Ritsumeikan University, Japan, har opdaget hurtigt skiftende fotokromisme i et billigt uorganisk materiale:kobber-doterede zinksulfid nanokrystaller. Deres resultater baner vejen for et væld af potentielle applikationer lige fra smarte adaptive vinduer og solbriller til anti-forfalskningsmidler.

Er det ikke praktisk, når kontorbygningsvinduer tilpasses mørkere i forhold til intensiteten af ​​sollys? Eller når standardbriller bliver til solbriller under solen og skifter tilbage, når du træder ind i en bygning? Sådanne bedrifter er mulige takket være fotokromiske materialer, hvis optiske (og andre) egenskaber ændres radikalt, når de bestråles med synligt eller ultraviolet lys.

I dag, stort set alle hurtigskiftende fotokromiske materialer er fremstillet ved hjælp af organiske forbindelser. Desværre, dette gør dem betydeligt dyre og komplekse at syntetisere, kræver flertrinsprocesser, der er svære at skalere op til masseproduktion. Så, på trods af de utallige potentielle anvendelser, som disse materialer kunne muliggøre, deres kommercielle anvendelse har været begrænset. At finde hurtigt skiftende uorganiske fotokromiske materialer, som kunne gøre disse potentielle anvendelser bredt kommercielt mulige, har vist sig udfordrende. Imidlertid, en ny undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society bringer nyt håb på dette område.

I dette studie, et team af forskere fra Ritsumeikan University, Japan, ledet af lektor Yoichi Kobayashi, opdaget, at zinksulfid (ZnS) nanokrystaller doteret med kobber (Cu) ioner har ejendommelige fotokromiske egenskaber. Når de bestråles med ultraviolet og synligt (UV-Vis) lys, disse krystaller bliver fra cremehvide til mørkegrå. Det, der er særligt interessant, er, at når strålingskilden er slukket, det tager omkring et helt minut for materialet at vende tilbage til sin oprindelige cremehvide farve i luften, men det gør det i omfanget af mikrosekunder, når det er nedsænket i vandige opløsninger. Holdet analyserede teoretisk og eksperimentelt dette materiale, fast besluttet på at afklare forviklingerne i dens aldrig før set fotokromatiske adfærd.

Men hvorfor ændrer Cu-dopede ZnS-nanokrystaller farve, når de bestråles af lys, og hvorfor kan det tage lang tid for dem at vende tilbage til deres oprindelige farve? Svaret, som forskerne beviste, har meget at gøre med dynamikken i fotoexciterede ladningsbærere. Når en foton rammer et materiale, kollisionen kan give elektroner energi og få dem til at forlade deres ellers stabile positioner i deres molekylære orbitaler. Fraværet af elektronen efterlader en lokaliseret positiv ladning, i faststoffysik, omtales som et 'hul'.

I de fleste materialer, elektron-hul-parret eksisterer i meget kort tid, før de ophæver hinanden, genudsende en brøkdel af den energi, som elektronen oprindeligt opnåede. Imidlertid, i Cu-doteret ZnS, billedet er meget anderledes. Huller fanges effektivt af Cu-ioner, mens fotoexciterede elektroner frit kan hoppe til andre molekyler, og disse effekter forsinker rekombinationsprocessen. Som holdet demonstrerede, de langlivede huller ændrer materialets optiske egenskaber, forårsager den observerede fotokromatiske effekt.

Opdagelsen af ​​den første uorganiske nanokrystal, der udviser hurtigskiftende fotokromisme, repræsenterer tiltrængt fremgang på dette område, især til praktiske anvendelser. "Zinksulfid er relativt ugiftigt og kan nemt syntetiseres til lave omkostninger, " siger Kobayashi. "Vi tror på, at vores forskning vil føre til den udbredte brug af fotokromiske materialer med hurtig respons i samfundet." Eksempler på bemærkelsesværdige anvendelser for sådanne fotokromiske materialer omfatter 3D-fjernsyn, smarte briller, vinduer til køretøjer og huse, og endda højhastigheds holografisk lagring. De kan også bruges som avancerede anti-forfalskningsmidler til vigtige mærker og medicin.

Ud over, denne undersøgelse har implikationer for forskere, der er villige til at grave dybere ned i andre områder af anvendt optisk fysik. I denne forbindelse Kobayashi bemærker:"Vi har demonstreret, at den fotokromatiske reaktion af nanomaterialer kan tunes ved at kontrollere levetiden for fotoexciterede bærere. Det er vigtigt at udforske nye nanomaterialer med ultralanglivede exciterede bærere, ikke kun for fotokromiske materialer, men også til avancerede fotofunktionelle materialer såsom selvlysende materialer og fotokatalysatorer."

Denne undersøgelse kunne bane vejen for praktiske anvendelser af fotokromisme, herunder adaptiv belysning.