Met koper gedoteerd zinksulfide verandert van kleur omkeerbaar bij verlichting en kan worden gebruikt in slimme adaptieve ramen en zonnebrillen
Is het niet handig wanneer ramen van kantoorgebouwen adaptief donkerder worden naargelang de intensiteit van het zonlicht? Of wanneer een standaardbril onder de zon in een zonnebril verandert en weer terugschakelt als u een gebouw binnengaat? Dergelijke prestaties zijn mogelijk dankzij fotochrome materialen, waarvan de optische (en andere) eigenschappen radicaal veranderen bij bestraling met zichtbaar of ultraviolet licht.
Tegenwoordig worden vrijwel alle snel schakelende fotochrome materialen gemaakt met organische verbindingen. Helaas maakt dit ze aanzienlijk duur en complex om te synthetiseren, waardoor meerstapsprocessen nodig zijn die moeilijk op te schalen zijn voor massaproductie. Dus ondanks de talloze mogelijke toepassingen die deze materialen mogelijk zouden kunnen maken, is hun commerciële toepassing beperkt gebleven. Het is een uitdaging gebleken om snel schakelende anorganische fotochrome materialen te vinden die deze potentiële toepassingen op grote schaal commercieel mogelijk zouden kunnen maken. Er is echter een nieuwe studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society brengt nieuwe hoop op dit gebied.
In deze studie ontdekte een team van wetenschappers van de Ritsumeikan Universiteit, Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Yoichi Kobayashi, dat zinksulfide (ZnS) nanokristallen gedoteerd met koper (Cu) -ionen bijzondere fotochrome eigenschappen hebben. Bij bestraling met ultraviolet en zichtbaar (UV-Vis) licht veranderen deze kristallen van crèmewit naar donkergrijs. Wat vooral interessant is, is dat wanneer de stralingsbron is uitgeschakeld, het ongeveer een volle minuut duurt voordat het materiaal zijn oorspronkelijke roomwitte kleur in lucht terugkeert, maar dit gebeurt op de schaal van microseconden wanneer het wordt ondergedompeld in waterige oplossingen. Het team ging verder met het theoretisch en experimenteel analyseren van dit materiaal, 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 met licht worden bestraald, en waarom kan het lang duren voordat ze weer hun oorspronkelijke kleur hebben? Het antwoord, zoals de wetenschappers bewezen, heeft veel te maken met de dynamiek van foto-opgewekte ladingsdragers. Wanneer een foton een materiaal raakt, kan de botsing elektronen van energie voorzien en ervoor zorgen dat ze hun anders stabiele posities in hun moleculaire orbitalen verlaten. De afwezigheid van het elektron laat een lokale positieve lading achter die in de vaste-stoffysica een 'gat' wordt genoemd.
In de meeste materialen bestaat het elektron-gat-paar een zeer korte tijd voordat het elkaar opheft, waardoor een fractie van de energie die het elektron oorspronkelijk heeft verkregen opnieuw wordt uitgezonden. In Cu-gedoteerde ZnS is het beeld echter heel anders. Gaten worden effectief ingevangen door Cu-ionen, terwijl foto-geëxciteerde elektronen vrij naar andere moleculen kunnen springen, en deze effecten vertragen het recombinatieproces. Zoals het team aantoonde, veranderen de langlevende gaten de optische eigenschappen van het materiaal, waardoor het waargenomen fotochromatische effect ontstaat.
De ontdekking van het eerste anorganische nanokristal dat snel schakelende fotochromie vertoonde, vertegenwoordigt de broodnodige vooruitgang op dit gebied, vooral voor praktische toepassingen. "Zinksulfide is relatief niet giftig en kan gemakkelijk tegen lage kosten worden gesynthetiseerd", zegt Kobayashi. "Wij geloven dat ons onderzoek zal leiden tot een wijdverbreid gebruik van snel reagerende fotochrome materialen in de samenleving." Voorbeelden van opmerkelijke toepassingen voor dergelijke fotochrome materialen zijn 3D-televisie, slimme brillen, ramen voor voertuigen en huizen, en zelfs holografische opslag met hoge snelheid. Ze kunnen ook worden gebruikt als geavanceerde anti-namaakmiddelen voor belangrijke merken en medicijnen.
Bovendien heeft deze studie implicaties voor onderzoekers die bereid zijn dieper te graven in andere gebieden van toegepaste optische fysica. In dit verband merkt Kobayashi op: “We hebben aangetoond dat de fotochrome reactie van nanomaterialen kan worden afgestemd door de levensduur van foto-geëxciteerde dragers te regelen. Onderzoek naar nieuwe nanomaterialen met geëxciteerde dragers met een ultralange levensduur is niet alleen belangrijk voor fotochrome materialen, maar ook voor verschillende geavanceerde fotofunctionele materialen, zoals luminescerende materialen en fotokatalysatoren. "
Laten we hopen dat deze studie de weg effent voor fotochromie om ons dagelijks leven te bereiken en om onze toekomst (adaptief) helderder te maken!
###
Referentie
Titel van origineel papier: Fast T-Type Photochromism of Colloidal Cu-Doped ZnS Nanocrystals
Dagboek: Tijdschrift van de American Chemical Society
DOI: 10.1021 / jacs.0c10236
Over Ritsumeikan University, Japan
Ritsumeikan University, opgericht in 1869 met een geest van liberalisme en internationalisme, is een van de topuniversiteiten in Japan; het was de eerste die werd beoordeeld door Quacquarelli Symonds. De universiteit telt nu drie hoofdcampussen in Kyoto, Shiga en Osaka en heeft meer dan 36,000 studenten. Het is de nr. 1 aanbevolen bestemming voor uitwisselingsstudenten en biedt zelfs de mogelijkheid om een aantal graden volledig in het Engels te behalen. Haar onderwijsfilosofie is gebaseerd op vrede en democratie, en de universiteit streeft ernaar om het huidige tijdperk van snelle veranderingen het hoofd te bieden met een rijke diversiteit aan mensen en ideeën.
Website: http: // en.
Over universitair hoofddocent Yoichi Kobayashi van de Ritsumeikan Universiteit, Japan
Yoichi Kobayashi studeerde in 2007 af aan de Kwansei Gakuin University, Japan, waar hij ook een PhD-graad behaalde in 2011. Hij werkte enkele jaren voor de Japan Society for the Promotion of Science aan de University of Toronto, Canada en Aoyama Gakuin University. trad in 2017 toe tot de Ritsumeikan University als universitair hoofddocent. Hij leidt nu een onderzoeksgroep in het Photofunctional Physical Chemistry Lab, waar ze baanbrekende onderzoeken uitvoeren naar fotochromie, optische nanostructuren en nanodeeltjes, fotofysica en fotochemie. Hij heeft meer dan 50 peer-reviewed papers gepubliceerd.
Financieringsinformatie
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door 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) ), en Masuya Research Foundation. XPS-metingen werden uitgevoerd bij JAIST, ondersteund door het Nanotechnology Platform Program (Molecule and Material Synthesis) van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (MEXT), Japan.
