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Transformado pela luz: fotocromismo rápido descoberto em um material inorgânico barato

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O sulfeto de zinco dopado com cobre muda de cor reversivelmente quando iluminado e pode ser usado em janelas e óculos de sol adaptáveis ​​inteligentes

Não é conveniente quando as janelas de um prédio de escritórios escurecem de forma adaptativa de acordo com a intensidade da luz solar? Ou quando os óculos convencionais se transformam em óculos de sol sob o sol e voltam quando você entra em um prédio? Tais feitos são possíveis graças aos materiais fotocrômicos, cujas propriedades ópticas (e outras) mudam radicalmente quando irradiadas por luz visível ou ultravioleta.

Hoje, praticamente todos os materiais fotocrômicos de comutação rápida são feitos com compostos orgânicos. Infelizmente, isso os torna consideravelmente caros e complexos para sintetizar, exigindo processos de várias etapas que são difíceis de aumentar para produção em massa. Portanto, apesar da miríade de aplicações potenciais que esses materiais podem possibilitar, sua aplicação comercial tem sido limitada. Encontrar materiais fotocrômicos inorgânicos de comutação rápida, que poderiam tornar essas aplicações potenciais amplamente possíveis comercialmente, provou ser um desafio. No entanto, um novo estudo publicado no Journal of the American Chemical Society traz uma nova esperança neste campo.

Neste estudo, uma equipe de cientistas da Ritsumeikan University, no Japão, liderada pelo professor associado Yoichi Kobayashi, descobriu que os nanocristais de sulfeto de zinco (ZnS) dopados com íons de cobre (Cu) têm propriedades fotocrômicas peculiares. Quando irradiados por luz ultravioleta e visível (UV-Vis), esses cristais mudam de branco cremoso para cinza escuro. O que é especialmente interessante é que, quando a fonte de radiação é desligada, leva cerca de um minuto para que o material volte à sua cor branca cremosa original no ar, mas o faz na escala de microssegundos quando submerso em soluções aquosas. A equipe passou a analisar teórica e experimentalmente esse material, determinada a esclarecer os meandros de seu comportamento fotocromático nunca antes visto.

Mas por que os nanocristais de ZnS dopados com Cu mudam de cor quando irradiados pela luz, e por que pode demorar muito para que voltem à cor original? A resposta, como os cientistas provaram, tem muito a ver com a dinâmica dos portadores de carga fotoexcitados. Quando um fóton atinge um material, a colisão pode energizar os elétrons e fazer com que eles deixem suas posições estáveis ​​em seus orbitais moleculares. A ausência do elétron deixa uma carga positiva localizada que, na física do estado sólido, é chamada de 'buraco'.

Na maioria dos materiais, o par elétron-buraco existe por um tempo muito curto antes de se cancelarem, reemitindo uma fração da energia que o elétron obteve originalmente. No entanto, no ZnS dopado com Cu, o quadro é muito diferente. Os buracos são efetivamente capturados por íons Cu, enquanto os elétrons fotoexcitados podem saltar livremente para outras moléculas, e esses efeitos atrasam o processo de recombinação. Como a equipe demonstrou, os orifícios de longa duração alteram as propriedades ópticas do material, causando o efeito fotocromático observado.

A descoberta do primeiro nanocristal inorgânico a exibir fotocromismo de comutação rápida representa um progresso muito necessário neste campo, especialmente para aplicações práticas. “O sulfeto de zinco é relativamente atóxico e pode ser facilmente sintetizado a baixo custo”, comenta Kobayashi. “Acreditamos que nossa pesquisa levará ao uso generalizado de materiais fotocrômicos de resposta rápida na sociedade.” Exemplos de aplicações notáveis ​​para tais materiais fotocrômicos incluem televisão 3D, vidros inteligentes, janelas para veículos e casas e até armazenamento holográfico de alta velocidade. Eles também podem ser usados ​​como agentes antifalsificação avançados para marcas e medicamentos importantes.

Além disso, este estudo tem implicações para pesquisadores que desejam se aprofundar em outras áreas da física óptica aplicada. A esse respeito, Kobayashi comenta: “Demonstramos que a reação fotocrômica dos nanomateriais pode ser ajustada controlando o tempo de vida dos portadores fotoexcitados. Explorar novos nanomateriais com transportadores excitados de vida ultralonga é importante não apenas para materiais fotocrômicos, mas também para vários materiais fotofuncionais avançados, como materiais luminescentes e fotocatalisadores. ”

Esperemos que este estudo abra caminho para que o fotocromismo alcance nossas vidas diárias e ajude a tornar nosso futuro (adaptativamente) mais brilhante!

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Referência

Título do artigo original: Fotocromismo tipo T rápido de nanocristais de ZnS coloidais dopados com cobre

Diário: Journal of the American Chemical Society

DOI: 10.1021 / jacs.0c10236

Sobre a Ritsumeikan University, Japão

Fundada em 1869 com um espírito de liberalismo e internacionalismo, a Ritsumeikan University é uma das universidades mais conceituadas do Japão; foi o primeiro a ser avaliado pela Quacquarelli Symonds. A universidade agora conta com três campi principais em Kyoto, Shiga e Osaka e possui mais de 36,000 alunos. É o destino nº 1 recomendado para estudantes de intercâmbio e ainda oferece a oportunidade de obter alguns diplomas inteiramente em inglês. Sua filosofia educacional é baseada em paz e democracia, e a universidade se esforça para enfrentar a era atual de rápidas mudanças com uma rica diversidade de pessoas e idéias.

Site: http: // en.ritsumei.AC.jp /

Sobre o professor associado Yoichi Kobayashi da Ritsumeikan University, Japão

Yoichi Kobayashi se formou na Kwansei Gakuin University, Japão, em 2007, onde também obteve o título de PhD em 2011. Ele trabalhou para a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência na Universidade de Toronto, Canadá, e na Aoyama Gakuin University por vários anos antes ingressou na Ritsumeikan University como professor associado em 2017. Ele agora lidera um grupo de pesquisa no Laboratório de Química Física Fotofuncional, onde conduz estudos de ponta em fotocromismo, nanoestruturas ópticas e nanopartículas, fotofísica e fotoquímica. Ele publicou mais de 50 artigos revisados ​​por pares.

Informação de financiamento

Este trabalho foi apoiado parcialmente por JSPS KAKENHI (Grant Numbers JP18K14194, JP18H05263, 19H00888, 20K21174, 20K05419, 18H05407), Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, Grant-in-Aid para Transformative Research Areas, "Dynamic Exciton" (JP20H05832 ) e a Fundação de Pesquisa Masuya. As medições XPS foram realizadas no JAIST, com o apoio do Programa de Plataforma de Nanotecnologia (Molécula e Síntese de Materiais) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT), Japão.

Fonte: https://bioengineer.org/transformed-by-light-fast-photochromism-discovered-in-an-inexpensive-inorganic-material/

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