science >> Wetenschap >  >> Chemie

Met koper gedoteerd zinksulfide verandert omkeerbaar van kleur wanneer het wordt verlicht en kan worden gebruikt in slimme adaptieve vensters

Onderzoekers hebben snel schakelend fotochromisme ontdekt in een goedkoop anorganisch materiaal:met koper gedoteerde zinksulfide-nanokristallen. Hun resultaten maken de weg vrij voor een overvloed aan potentiële toepassingen, variërend van slimme adaptieve vensters en zonnebrillen tot middelen tegen namaak. Krediet:Ritsumeikan University

Fotochrome materialen kunnen hun kleur en optische eigenschappen omkeerbaar veranderen wanneer ze worden bestraald met ultraviolet of zichtbaar licht. Echter, ze zijn gemaakt van organische verbindingen die duur zijn om te synthetiseren. Gelukkig, Voor de eerste keer, wetenschappers van de Ritsumeikan Universiteit, Japan, hebben snel schakelend fotochromisme ontdekt in een goedkoop anorganisch materiaal:met koper gedoteerde zinksulfide nanokristallen. Hun resultaten maken de weg vrij voor een overvloed aan potentiële toepassingen, variërend van slimme adaptieve vensters en zonnebrillen tot middelen tegen namaak.

Is het niet handig als de ramen van kantoorgebouwen adaptief donkerder worden afhankelijk van de intensiteit van het zonlicht? Of wanneer een standaardbril in de zon verandert in een zonnebril en weer terugschakelt als je een gebouw binnengaat? Dergelijke prestaties zijn mogelijk dankzij fotochrome materialen, waarvan de optische (en andere) eigenschappen radicaal veranderen wanneer ze worden bestraald met zichtbaar of ultraviolet licht.

Vandaag, vrijwel alle snel schakelende fotochrome materialen worden gemaakt met behulp van organische verbindingen. Helaas, dit maakt ze aanzienlijk duur en complex om te synthetiseren, die meerstapsprocessen vereisen die moeilijk op te schalen zijn voor massaproductie. Dus, ondanks de talloze mogelijke toepassingen die deze materialen mogelijk zouden kunnen maken, hun commerciële toepassing is beperkt. Snel schakelende anorganische fotochrome materialen vinden, die deze potentiële toepassingen commercieel op grote schaal mogelijk zouden kunnen maken, uitdagend is gebleken. Echter, een nieuwe studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society brengt nieuwe hoop op dit gebied.

In dit onderzoek, een team van wetenschappers van de Ritsumeikan University, Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Yoichi Kobayashi, ontdekte dat zinksulfide (ZnS) nanokristallen gedoteerd met koper (Cu) -ionen bijzondere fotochrome eigenschappen hebben. Bij bestraling met ultraviolet en zichtbaar (UV-Vis) licht, deze kristallen verkleuren van roomwit naar donkergrijs. Wat vooral interessant is, is dat wanneer de stralingsbron is uitgeschakeld, het duurt ongeveer een volle minuut voordat het materiaal in de lucht terugkeert naar zijn oorspronkelijke roomwitte kleur, maar het doet dit op de schaal van microseconden wanneer het wordt ondergedompeld in waterige oplossingen. Het team heeft dit materiaal theoretisch en experimenteel geanalyseerd, vastbesloten om de fijne kneepjes van het nooit eerder vertoonde fotochromatische gedrag op te helderen.

Maar waarom veranderen Cu-gedoteerde ZnS-nanokristallen van kleur wanneer ze worden bestraald met licht, en waarom kan het lang duren voordat ze hun oorspronkelijke kleur terugkrijgen? Het antwoord, zoals de wetenschappers bewezen, heeft veel te maken met de dynamiek van fotogeëxciteerde ladingsdragers. Wanneer een foton een materiaal raakt, de botsing kan elektronen activeren en ervoor zorgen dat ze hun anders stabiele posities in hun moleculaire orbitalen verlaten. De afwezigheid van het elektron laat een gelokaliseerde positieve lading achter die, in de vastestoffysica, wordt een 'gat' genoemd.

Bij de meeste materialen het elektron-gat paar bestaat voor een zeer korte tijd voordat ze elkaar opheffen, het opnieuw uitzenden van een fractie van de energie die het elektron oorspronkelijk had verkregen. Echter, in Cu-gedoteerd ZnS, het beeld is heel anders. Gaten worden effectief gevangen door Cu-ionen, terwijl foto-geëxciteerde elektronen vrij naar andere moleculen kunnen springen, en deze effecten vertragen het recombinatieproces. Zoals het team liet zien, de langlevende gaten veranderen de optische eigenschappen van het materiaal, waardoor het waargenomen fotochromatische effect ontstaat.

De ontdekking van het eerste anorganische nanokristal dat snel schakelend fotochromisme vertoont, vertegenwoordigt de broodnodige vooruitgang op dit gebied, vooral voor praktische toepassingen. "Zinksulfide is relatief niet-toxisch en kan gemakkelijk tegen lage kosten worden gesynthetiseerd, ", zegt Kobayashi. "We geloven dat ons onderzoek zal leiden tot het wijdverbreide gebruik van snel reagerende fotochrome materialen in de samenleving." Voorbeelden van opmerkelijke toepassingen voor dergelijke fotochrome materialen zijn onder meer 3D-televisie, slimme bril, ramen voor voertuigen en huizen, en zelfs high-speed holografische opslag. Ze kunnen ook worden gebruikt als geavanceerde middelen tegen namaak voor belangrijke merken en medicijnen.

In aanvulling, deze studie heeft implicaties voor onderzoekers die bereid zijn dieper te graven in andere gebieden van toegepaste optische fysica. In dit verband, Kobayashi merkt op:"We hebben aangetoond dat de fotochrome reactie van nanomaterialen kan worden afgestemd door de levensduur van foto-geëxciteerde dragers te beheersen. Het is belangrijk om nieuwe nanomaterialen te onderzoeken met ultralanglevende geëxciteerde dragers, niet alleen voor fotochrome materialen, maar ook voor geavanceerde fotofunctionele materialen zoals lichtgevende materialen en fotokatalysatoren."

Deze studie zou de weg kunnen effenen voor praktische toepassingen van fotochromisme, inclusief adaptieve verlichting.