当光致变色材料受到紫外线或可见光照射时，其颜色和光学特性将发生可逆改变。这种材料由有机化合物制成，而有机化合物合成通常非常昂贵。据报道，日本立命馆大学的科学家们首次在廉价无机材料中发现了快速转换的光致变色现象。该无机材料是一种掺杂铜的硫化锌纳米晶体。此次研究结果为其在智能适应性玻璃窗、太阳镜和防伪剂等众多潜在应用铺平了道路。
办公大楼的玻璃窗可根据日照强度自适应变暗，眼镜在太阳下可自动变为太阳镜，并在进入大楼后恢复为普通眼镜。这都得益于光致变色材料的发明，且以上这些发明均有可能实现。如今，几乎所有快速转换的光致变色材料都是由有机化合物制成，不仅价格昂贵且合成复杂，处理过程也比较繁琐，难以实现大规模生产。因此，尽管该材料具有无数潜在应用，但其商业应用受到限制。为实现商业化，寻找一种可快速转换的无机光致变色材料非常具有挑战性。
（图片来源：立命馆大学）
在该研究中，由Yoichi Kobayashi副教授领导的日本立命馆大学的研究小组发现，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，这些晶体会从乳白色变成深灰色。有趣的是，关闭辐射源后，该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，而浸入水溶液时仅需只有几微秒。研究小组从理论和实验上分析了这种材料，决定探索这种特殊的光致变色行为的复杂性。
为什么铜掺杂的硫化锌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始颜色呢？正如研究结果显示，这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，使它们偏离分子轨道上原本稳定的位置。失去电子后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部分能量。但是，在掺铜的硫化锌中，情况大不相同。空穴被Cu离子有效捕获，而光激发的电子可以自由地跳到其他分子上，从而延迟重组过程。研究表明，空穴长时间存在会改变材料的光学特性，从而引起光致变色效应。
首次发现快速转换光致变色的无机纳米晶体是该领域的重大进展，特别是在实际应用方面。Kobayashi表示：“硫化锌相对无毒，其合成过程简单且低廉。相信我们的研究成果将推动快速转换光致变色材料在生活中的广泛使用。”光致变色材料通常可应用在3D电视、智能眼镜、车辆和房屋窗户、高速全息存储器以及重要品牌和药品的高级防伪剂。
此外，这项研究也有益于应用光学物理学其他领域的研究人员。Kobayashi表示：“我们已经证明，通过控制光激发载流子的寿命可以调节纳米材料的光致变色反应。而研发具有超长寿命激发载流子的新型纳米材料，对于光致变色材料及先进光功能材料都非常重要，例如发光材料和光催化剂。”此项研究可为包括自适应照明在内的光致变色的实际应用铺平道路。
