掺杂铜的硫化锌在照明时可逆地改变颜色可用于智能自适应窗

当用紫外线或可见光照射时，光致变色材料可以可逆地改变其颜色和光学性质。但是，它们是由合成昂贵的有机化合物制成的。幸运的是，立命馆大学的科学家们首次在廉价的无机材料中发现了快速转换的光致变色现象：掺杂铜的硫化锌纳米晶体。他们的研究结果为从智能适应性窗户和太阳镜到防伪剂等众多潜在应用铺平了道路。

当办公大楼的窗户根据日照强度适应性变暗时，是否方便?还是当标准眼镜变成太阳下的太阳镜并在进入建筑物时又切换回去?归功于光致变色材料，这种壮举是可能的，光致变色材料的光学(和其他)特性在受到可见光或紫外光照射时会发生根本性变化。

如今，几乎所有快速转换的光致变色材料都是使用有机化合物制成的。不幸的是，这使得它们相当昂贵且合成复杂，需要难以大规模用于大规模生产的多步骤工艺。因此，尽管这些材料可以实现无数的潜在应用，但其商业应用受到了限制。已经发现寻找快速切换的无机光致变色材料，其可以使那些潜在的应用在商业上广泛地应用。但是，发表在《化学学会杂志》上的一项新研究为该领域带来了新希望。

在这项研究中，立命馆大学的一组科学家在小林洋一副教授的带领下发现，掺杂铜(Cu)离子的硫化锌(ZnS)纳米晶体具有独特的光致变色特性。当受到紫外线和可见光(UV-Vis)照射时，这些晶体从乳白色变成深灰色。尤其有趣的是，关闭辐射源后，材料在空气中恢复到原来的乳白色大约需要整整一分钟的时间，但是浸入水溶液中的时间只有几微秒的时间。研究小组从理论上和实验上分析了这种材料，决心澄清其从未见过的光致变色行为的复杂性。

但是，为什么铜掺杂的ZnS纳米晶体在被光照射时会改变颜色，又为什么要花很长时间才能恢复到原来的颜色呢?正如科学家证明的那样，答案与光激发电荷载流子的动力学有很大关系。当光子撞击材料时，碰撞会激发电子，使它们在分子轨道上保持原本稳定的位置。电子的不存在会留下局部的正电荷，在固态物理学中，该电荷被称为“空穴”。

在大多数材料中，电子-空穴对在相互抵消之前会存在很短的时间，从而重新释放电子最初获得的一部分能量。但是，在掺Cu的ZnS中，情况却大不相同。空穴被Cu离子有效地捕获，而光激发的电子可以自由地跳到其他分子上，这些作用会延迟重组过程。正如该团队所证明的那样，长寿命孔会改变材料的光学特性，从而导致观察到的光致变色效应。

发现具有快速转换的光致变色现象的第一个无机纳米晶体的发现代表了该领域急需的进展，特别是对于实际应用而言。小林说：“硫化锌是相对无毒的，可以很容易地以低成本合成。” “我们相信我们的研究将导致快速响应的光致变色材料在社会中的广泛使用。” 这种光致变色材料的显着应用示例包括3D电视，智能眼镜，车辆和房屋的窗户，甚至是高速全息存储。它们还可以用作重要品牌和药品的高级防伪剂。

此外，这项研究对愿意深入研究应用光学物理学其他领域的研究人员也有影响。在这方面，小林说：“我们已经证明，可以通过控制光激发载流子的寿命来调节纳米材料的光致变色反应。探索具有超长寿命激发载流子的新型纳米材料，不仅对于光致变色材料，而且对于先进材料也很重要。光功能材料，例如发光材料和光催化剂。”

这项研究可以为包括自适应照明在内的光致变色的实际应用铺平道路。

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