Los futuros desarrollos en los que las ventanas pueden oscurecerse de forma adaptativa a lo largo del día dependiendo de la luz solar, o el desarrollo de gafas de sol con estas características, dependen de los materiales fotocrómicos, cuyas propiedades ópticas (y otras) cambian radicalmente cuandos son irradiados por luz visible o ultravioleta.
Hoy en día, prácticamente todos los materiales fotocromáticos de conmutación rápida están hechos con compuestos orgánicos. Desafortunadamente, esto los hace considerablemente caros y complejos de sintetizar, lo que requiere procesos de varios pasos que son difíciles de escalar para su producción en masa.
Por lo tanto, a pesar de la multitud de aplicaciones potenciales en las que se podrían utilizar estos materiales, ha hecho que su aplicación comercial haya sido muy limitada. Encontrar materiales fotocromáticos inorgánicos de conmutación rápida podría solucionar este problema, peor hasta la fecha está siendo complicado de desarrollar. Un nuevo estudio publicado en “Journal of the American Chemical Society” trae nuevas esperanzas en este campo.
En el estudio, un equipo de científicos de la Universidad de Ritsumeikan en Japón, descubrió que los nanocristales de sulfuro de zinc (ZnS) dopados con iones de cobre (Cu) tiene propiedades fotocrómicas peculiares. Cuando se irradian por luz ultravioleta y visible (UV-Vis), estos cristales se convierten del blanco cremoso al gris oscuro.
Lo que es particularmente interesante es que cuando la fuente de radiación está apagada, el material tarda alrededor de un minuto completo en volver a su color blanco cremoso original en el aire, pero lo hace en la escala de microsegundos cuando se sumerge en soluciones acuosas. El equipo procedió a analizar teórica y experimentalmente este material, decidido a aclarar las complejidades de su comportamiento fotocromático nunca antes visto.
Pero, ¿por qué los nanocristales ZnS dopados con Cu cambian de color cuando son irradiados por la luz, y por qué puede tomar mucho tiempo para que vuelvan a su color original? La respuesta, como demostraron los científicos, tiene mucho que ver con la dinámica de los portadores de carga fotoexcitados. Cuando un fotón golpea un material, la colisión puede energizar electrones y hacer que dejen sus posiciones estables en sus órbitas moleculares. La ausencia del electrón deja una carga positiva localizada que, en la física de estado sólido, se conoce como un «hueco».
En la mayoría de los materiales, el par electrón-hueco existe por un tiempo muy corto antes de cancelarse entre sí, reemitiendo una fracción de la energía que el electrón obtuvo originalmente. Sin embargo, en el ZnS dopado con Cu, el panorama es muy diferente. Los huecos están efectivamente atrapados por los iones Cu, mientras que los electrones fotoexcitados pueden saltar libremente a otras moléculas, y estos efectos retrasan el proceso de recombinación. Como demostró el equipo, los huecos de larga vida alteran las propiedades ópticas del material, causando el efecto fotocromático observado.
El descubrimiento del primer nanocristal inorgánico que exhibe fotocromismo de conmutación rápida representa un progreso muy necesario en este campo, especialmente para aplicaciones prácticas.
«El sulfuro de zinc es relativamente no tóxico y se puede sintetizar fácilmente a bajo costo, Creemos que nuestra investigación llevará al uso generalizado de materiales fotocromáticos de respuesta rápida en la sociedad». Ejemplos de aplicaciones notables para tales materiales fotocrómicos incluyen televisión 3D, gafas inteligentes, ventanas para vehículos y casas, e incluso almacenamiento holográfico de alta velocidad. También podrían utilizarse como agentes antifalsificación avanzados para marcas y medicamentos importantes”, explica el profesor Yoichi Kobayashi, quien lideró la investigación.
Además, este estudio tiene implicaciones para los investigadores que están dispuestos a profundizar en otras áreas de la física óptica aplicada. En este sentido, Kobayashi comenta: “Hemos demostrado que la reacción fotocrómica de los nanomateriales se puede ajustar controlando la vida útil de los portadores fotoexcitados. Explorar nanomateriales novedosos con portadores excitados de vida ultralarga es importante no solo para los materiales fotocrómicos, sino también para varios materiales fotofuncionales avanzados, como materiales luminiscentes y fotocatalizadores”.
Fuente de imágenes: Licencia Freepik
