• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Koppardopad zinksulfid ändrar färg reversibelt när den är upplyst och kan användas i smarta adaptiva fönster

    Forskare har upptäckt snabbväxling av fotokromism i ett billigt oorganiskt material:koppardopade zinksulfidnanokristaller. Deras resultat banar väg för en uppsjö av potentiella tillämpningar, allt från smarta adaptiva fönster och solglasögon till anti-förfalskningsmedel. Kredit:Ritsumeikan University

    Fotokroma material kan reversibelt ändra sin färg och optiska egenskaper när de bestrålas med ultraviolett eller synligt ljus. Dock, de är gjorda av organiska föreningar som är dyra att syntetisera. Lyckligtvis, för första gången, forskare från Ritsumeikan University, Japan, har upptäckt snabbväxling av fotokromism i ett billigt oorganiskt material:koppardopade zinksulfidnanokristaller. Deras resultat banar väg för en uppsjö av potentiella tillämpningar, allt från smarta adaptiva fönster och solglasögon till anti-förfalskningsmedel.

    Är det inte bekvämt när kontorsbyggnadsfönster anpassningsbart mörknar efter intensiteten av solljus? Eller när standardglasögon förvandlas till solglasögon under solen och byter tillbaka när du går in i en byggnad? Sådana bedrifter är möjliga tack vare fotokromiska material, vars optiska (och andra) egenskaper förändras radikalt när de bestrålas av synligt eller ultraviolett ljus.

    I dag, praktiskt taget alla snabbväxlande fotokromiska material är tillverkade av organiska föreningar. Tyvärr, detta gör dem mycket dyra och komplicerade att syntetisera, kräver flerstegsprocesser som är svåra att skala upp för massproduktion. Så, trots de myriad av potentiella tillämpningar som dessa material kan möjliggöra, deras kommersiella tillämpning har varit begränsad. Hitta snabbt växlande oorganiska fotokromiska material, som skulle kunna göra dessa potentiella tillämpningar allmänt kommersiellt möjliga, har visat sig utmanande. Dock, en ny studie publicerad i Journal of the American Chemical Society ger nytt hopp på detta område.

    I den här studien, ett team av forskare från Ritsumeikan University, Japan, leds av docent Yoichi Kobayashi, upptäckte att zinksulfid (ZnS) nanokristaller dopade med koppar (Cu) joner har speciella fotokroma egenskaper. När de bestrålas med ultraviolett och synligt (UV-Vis) ljus, dessa kristaller övergår från krämvit till mörkgrå. Det som är särskilt intressant är att när strålningskällan är avstängd, det tar ungefär en hel minut för materialet att återgå till sin ursprungliga gräddvita färg i luften, men det gör det i skalan av mikrosekunder när det är nedsänkt i vattenlösningar. Teamet analyserade teoretiskt och experimentellt detta material, fast besluten att klargöra krångligheterna i dess aldrig tidigare skådade fotokromatiska beteende.

    Men varför ändrar Cu-dopade ZnS nanokristaller färg när de bestrålas av ljus, och varför kan det ta lång tid för dem att återgå till sin ursprungliga färg? Svaret, som forskarna bevisade, har mycket att göra med dynamiken hos fotoexciterade laddningsbärare. När en foton träffar ett material, kollisionen kan aktivera elektroner och få dem att lämna sina annars stabila positioner i sina molekylära orbitaler. Frånvaron av elektronen lämnar en lokaliserad positiv laddning som, i fasta tillståndets fysik, kallas ett "hål".

    I de flesta material, elektron-hålsparet existerar under en mycket kort tid innan de tar bort varandra, avger en bråkdel av den energi som elektronen ursprungligen erhöll. Dock, i Cu-dopad ZnS, bilden är väldigt annorlunda. Hål fångas effektivt av Cu-joner medan fotoexciterade elektroner fritt kan hoppa till andra molekyler, och dessa effekter fördröjer rekombinationsprocessen. Som laget visade, de långlivade hålen förändrar materialets optiska egenskaper, orsakar den observerade fotokromatiska effekten.

    Upptäckten av den första oorganiska nanokristallen som uppvisar snabbväxling fotokromism representerar välbehövliga framsteg inom detta område, speciellt för praktiska tillämpningar. "Zinksulfid är relativt ogiftigt och kan enkelt syntetiseras till låg kostnad, " säger Kobayashi. "Vi tror att vår forskning kommer att leda till den utbredda användningen av fotokromiska material med snabb respons i samhället." Exempel på anmärkningsvärda tillämpningar för sådana fotokromiska material inkluderar 3D-tv, smarta glasögon, fönster för fordon och hus, och till och med höghastighets holografisk lagring. De kan också användas som avancerade medel mot förfalskning av viktiga varumärken och läkemedel.

    Dessutom, denna studie har konsekvenser för forskare som är villiga att gräva djupare i andra områden av tillämpad optisk fysik. I detta avseende Kobayashi anmärker:"Vi har visat att den fotokroma reaktionen hos nanomaterial kan ställas in genom att kontrollera livslängden för fotoexciterade bärare. Att utforska nya nanomaterial med ultralånglivade exciterade bärare är viktigt, inte bara för fotokromiska material, men också för avancerade fotofunktionella material som självlysande material och fotokatalysatorer. "

    Denna studie kan bana väg för praktiska tillämpningar av fotokromism inklusive adaptiv belysning.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com