Le sulfure de zinc dopé au cuivre change de couleur de manière réversible lorsqu'il est éclairé et peut être utilisé dans les fenêtres et lunettes de soleil adaptatives intelligentes
N'est-il pas pratique que les fenêtres des immeubles de bureaux s'assombrissent de manière adaptative en fonction de l'intensité de la lumière du soleil? Ou lorsque les lunettes standard se transforment en lunettes de soleil sous le soleil et reviennent en arrière lorsque vous entrez dans un bâtiment? De telles prouesses sont possibles grâce aux matériaux photochromiques, dont les propriétés optiques (et autres) changent radicalement lorsqu'elles sont irradiées par la lumière visible ou ultraviolette.
Aujourd'hui, pratiquement tous les matériaux photochromiques à commutation rapide sont fabriqués à partir de composés organiques. Malheureusement, cela les rend considérablement coûteux et complexes à synthétiser, nécessitant des processus en plusieurs étapes qui sont difficiles à mettre à l'échelle pour la production de masse. Ainsi, malgré la myriade d'applications potentielles que ces matériaux pourraient permettre, leur application commerciale a été limitée. Trouver des matériaux photochromiques inorganiques à commutation rapide, qui pourraient rendre ces applications potentielles largement possibles sur le plan commercial, s'est avéré difficile. Cependant, une nouvelle étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society apporte un nouvel espoir dans ce domaine.
Dans cette étude, une équipe de scientifiques de l'Université de Ritsumeikan, au Japon, dirigée par le professeur agrégé Yoichi Kobayashi, a découvert que les nanocristaux de sulfure de zinc (ZnS) dopés avec des ions de cuivre (Cu) ont des propriétés photochromiques particulières. Lorsqu'ils sont irradiés par la lumière ultraviolette et visible (UV-Vis), ces cristaux passent du blanc crème au gris foncé. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que lorsque la source de rayonnement est éteinte, il faut environ une minute entière au matériau pour retrouver sa couleur blanche crémeuse d'origine dans l'air, mais il le fait en quelques microsecondes lorsqu'il est immergé dans des solutions aqueuses. L'équipe a procédé à une analyse théorique et expérimentale de ce matériau, déterminée à clarifier les subtilités de son comportement photochromatique jamais vu auparavant.
Mais pourquoi les nanocristaux de ZnS dopés au Cu changent-ils de couleur lorsqu'ils sont irradiés par la lumière, et pourquoi leur retour à leur couleur d'origine peut-il prendre du temps? La réponse, comme l'ont prouvé les scientifiques, a beaucoup à voir avec la dynamique des porteurs de charge photoexcités. Lorsqu'un photon frappe un matériau, la collision peut dynamiser les électrons et les amener à quitter leurs positions par ailleurs stables dans leurs orbitales moléculaires. L'absence de l'électron laisse une charge positive localisée qui, en physique du solide, est appelée un «trou».
Dans la plupart des matériaux, la paire électron-trou existe pendant très peu de temps avant de s'annuler, réémettant une fraction de l'énergie obtenue à l'origine par l'électron. Cependant, dans le ZnS dopé au Cu, le tableau est très différent. Les trous sont effectivement piégés par les ions Cu tandis que les électrons photoexcités peuvent sauter librement vers d'autres molécules, et ces effets retardent le processus de recombinaison. Comme l'équipe l'a démontré, les trous de longue durée altèrent les propriétés optiques du matériau, provoquant l'effet photochromatique observé.
La découverte du premier nanocristal inorganique à présenter un photochromisme à commutation rapide représente un progrès indispensable dans ce domaine, en particulier pour les applications pratiques. «Le sulfure de zinc est relativement non toxique et peut être facilement synthétisé à faible coût», commente Kobayashi. «Nous pensons que nos recherches conduiront à une utilisation généralisée des matériaux photochromiques à réponse rapide dans la société.» Des exemples d'applications notables pour ces matériaux photochromiques comprennent la télévision 3D, les lunettes intelligentes, les fenêtres pour véhicules et maisons, et même le stockage holographique à grande vitesse. Ils pourraient également être utilisés comme agents anti-contrefaçon avancés pour des marques et des médicaments importants.
En outre, cette étude a des implications pour les chercheurs qui souhaitent approfondir d'autres domaines de la physique optique appliquée. À cet égard, Kobayashi remarque: «Nous avons démontré que la réaction photochromique des nanomatériaux peut être réglée en contrôlant la durée de vie des porteurs photo-excités. Explorer de nouveaux nanomatériaux avec des supports excités à durée de vie ultra-longue est important non seulement pour les matériaux photochromiques, mais aussi pour divers matériaux photofonctionnels avancés, tels que les matériaux luminescents et les photocatalyseurs.
Espérons que cette étude ouvre la voie au photochromisme pour atteindre notre vie quotidienne et contribuer à rendre notre avenir (adaptatif) plus brillant!
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Référence
Titre de l'article original: Photochromisme rapide de type T de nanocristaux colloïdaux de ZnS dopés au Cu
Journal: Journal de l'American Chemical Society
DOI: 10.1021 / jacs.0c10236
À propos de l'Université Ritsumeikan, Japon
Fondée en 1869 dans un esprit de libéralisme et d'internationalisme, l'Université Ritsumeikan est l'une des meilleures universités du Japon; c'était le premier à être noté par Quacquarelli Symonds. L'université compte désormais trois campus principaux à Kyoto, Shiga et Osaka et compte plus de 36,000 1 étudiants. C'est la destination n ° XNUMX recommandée pour les étudiants en échange et offre même la possibilité d'obtenir des diplômes entièrement en anglais. Sa philosophie éducative est basée sur la paix et la démocratie, et l'université s'efforce de faire face à l'ère actuelle de changements rapides avec une riche diversité de personnes et d'idées.
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À propos du professeur associé Yoichi Kobayashi de l'Université Ritsumeikan, Japon
Yoichi Kobayashi est diplômé de l'Université Kwansei Gakuin, Japon, en 2007, où il a également obtenu un doctorat en 2011. Il a travaillé pour la Société japonaise pour la promotion des sciences à l'Université de Toronto, Canada, et l'Université Aoyama Gakuin pendant plusieurs années avant rejoignant l'Université Ritsumeikan en tant que professeur agrégé en 2017. Il dirige maintenant un groupe de recherche dans le laboratoire de chimie physique photofonctionnelle, où ils mènent des études de pointe sur le photochromisme, les nanostructures et nanoparticules optiques, la photophysique et la photochimie. Il a publié plus de 50 articles évalués par des pairs.
Informations sur le financement
Ce travail a été financé en partie par JSPS KAKENHI (Grant Numbers JP18K14194, JP18H05263, 19H00888, 20K21174, 20K05419, 18H05407), Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas, «Dynamic Exciton» (JP20H05832 ) et Masuya Research Foundation. Les mesures XPS ont été effectuées au JAIST, soutenu par le programme de plateforme de nanotechnologie (synthèse de molécules et de matériaux) du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), Japon.
