光色材料的分類與應(yīng)用討論

閆娜娜

摘 要：光色材料的研究是光學(xué)領(lǐng)域的重要課題之一，其光學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)生的機(jī)理以及在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)得到了人們的關(guān)注。本文針對光色材料的分類和應(yīng)用進(jìn)行深入的分析和研究，以期能夠更加充分的運(yùn)用光色材料。

關(guān)鍵詞：光色材料;分類;應(yīng)用

引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息量在以幾何級數(shù)急劇膨脹，這就對信息處理提出了更高的要求。光學(xué)信息處理技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于光學(xué)信息處理材料，有機(jī)光色材料表現(xiàn)出良好的光學(xué)非線性，因此引起人們極大的研究興趣。

一、概念

光致變色（Photochromism）是指化合物A在受到波長為入的光照時(shí)，可通過特定的化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)和光譜性能不同的產(chǎn)物B，而在波長為入的光照或熱的作用下，B有可逆地生成化合物A的現(xiàn)象。

二、光色材料的變色過程

材料受光照射著色，停止光照射后又可逆的褪色，這一特性稱為材料的光致變色現(xiàn)象，簡稱光色現(xiàn)象。具有光色現(xiàn)象的材料稱為光色材料。不同類型的光致變色材料具有不同的變色機(jī)理，尤其是無機(jī)光致變色材料的變色機(jī)理與有機(jī)材料有明顯的區(qū)別。

無機(jī)變色材料和有機(jī)變色材料的變色原理有很大不同，有機(jī)變色材料一般是靠有機(jī)化合物的鍵的斷裂（包括勻裂和異裂、鍵的重組以及構(gòu)想的變化）而產(chǎn)生顏色變化。

無機(jī)變色材料則是靠添加在化合物重金屬（主要是過渡周期重金屬）離子化合價(jià)的變價(jià)以及化合物分解和再化合來實(shí)現(xiàn)顏色變化的。無機(jī)體系的光致變色效應(yīng)伴隨著可逆的氧化-還原反應(yīng)。

三、光色材料的分類

（一）能應(yīng)用于光致變色的有機(jī)變色材料主要有：

1.螺吡喃類

螺吡喃是有機(jī)光致變色材料中研究和應(yīng)用最早、最廣泛的體系之一，在紫外線照射下，螺毗喃結(jié)構(gòu)中的C-O鍵斷裂開環(huán)，變色速度極快，分子局部發(fā)生旋轉(zhuǎn)且與叫噪形成一個共平面的部花青結(jié)構(gòu)而顯色，吸收光譜相應(yīng)紅移。在可見光或熱的作用下，開環(huán)體又能回復(fù)到螺環(huán)結(jié)構(gòu)。

缺點(diǎn)：部花青在室溫下存放幾分鐘至幾小時(shí)就會自動轉(zhuǎn)化為無色的螺環(huán)結(jié)構(gòu)，另外，在叮逆過程中會發(fā)生光化學(xué)副反應(yīng)，從而影響可逆轉(zhuǎn)化的循環(huán)次數(shù)，這些不足限制了螺毗喃在光分子開關(guān)方面的應(yīng)用。

2.俘精酸醉類

俘精酸醉是芳取代的二亞甲基丁二酸配類化合物的統(tǒng)稱，是最早被合成的有機(jī)光致變色化合物之一。1999年，Kiji等報(bào)道了通過1，4-雙雜環(huán)取代的丁炔-1，4-二醇的碳基化的方法來合成雙雜環(huán)俘精酸醉化合物。反應(yīng)以Pd（鈀）為催化劑，在高溫高壓下進(jìn)行。該方法開辟了一條合成雙雜環(huán)俘精酸配的新路徑。

3.偶氮苯類

偶氮苯類化合物光致變色性能良好，并其有超高存儲密度和非破壞性信息讀出等特點(diǎn)。偶氮苯類化合物的變色機(jī)理是由于含有-N-N-、形成順反異構(gòu)結(jié)構(gòu)所引起的。光或熱的作用可使順式和反式偶氮苯之間發(fā)生轉(zhuǎn)化，反式結(jié)構(gòu)一般比順式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。熱作下的順反異構(gòu)反應(yīng)通常是從順式到反式，但在光作下兩種異構(gòu)方向都能進(jìn)行。

（二）能應(yīng)用于光致變色的無機(jī)變色材料主要有：

1.過渡金屬氧化物

因具有良好的光學(xué)對比性質(zhì)和光致變色電致變色性能而成為國內(nèi)外科研人員的研究熱點(diǎn)之一，這類物質(zhì)主要有：WO3、MoO3、TiO2等。三氧化鎢作為一種重要的無機(jī)光致變色材料，具有穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其光致變色效率較低。三氧化鉬在可見光區(qū)吸收均勻，顯示柔和的中性色彩。較好的視覺美學(xué)效應(yīng)。光致變色現(xiàn)象在摻雜的二氧化鈦中可以見到，其變色機(jī)理是金屬離子變價(jià)。

2.金屬鹵化物

金屬鹵化物具有一定的光致變色性.如碘化鈣和碘化汞混合晶體、氯化銅、氯化鈉、氯化銀等。當(dāng)照射摻有La、Ce、Gd或Tb的氟化鈣時(shí)，會發(fā)生稀土雜質(zhì)的光譜特征吸收，其變色機(jī)理是金屬離子變價(jià)。如摻Ce的氟化鈣晶體會產(chǎn)生晶格缺陷，使無色的Ce3+變?yōu)榉奂t色的缺陷。

鹵化銀無機(jī)玻璃是傳統(tǒng)的無機(jī)光致變色物質(zhì)，在一定波長的光照下，鹵化銀粒子吸收能量發(fā)生分解，生成尺寸很小的膠體銀，其與鹵元素阻擋了光線的透過，使玻璃變暗。當(dāng)撤去照射光后，膠體銀與鹵元素重新結(jié)合在一起。生成無色的鹵化銀，玻璃又變得透明[1]。

三、光色材料的應(yīng)用

（一）信息記錄和存儲

美國NCR公司用光致變色材料制成的光色縮微片，具有高密度，線性縮微200：1，縮微面積比達(dá)4000：1，即將300頁的書籍縮微到一平方英寸的膠片內(nèi)，并且還可重復(fù)使用。因而，它在地圖文獻(xiàn)資料、檔案等現(xiàn)代化管理中，因具有加工方便、成本低、占地面積小、解像力高等特點(diǎn)而受到人們極大關(guān)注。

（二）光致變色染料

光致變色化合物可用作指甲漆、漆雕工藝品、T恤衫、墻壁紙等裝飾品。為了適應(yīng)不同的需要，可將光致變色化合物加入到一般油墨或涂料用的膠粘劑稀釋劑等助劑中混合制成絲網(wǎng)印刷油墨或涂料;還可將光致變色化合物制成包裝膜、建筑物的調(diào)光玻璃窗、汽車及飛機(jī)的屏風(fēng)玻璃等，防護(hù)日光照射，保證安全[2]。

（三）光變色母粒光變粉

經(jīng)陽光/紫外線照射后，吸收陽光/紫外線的能量而產(chǎn)生顏色變化，當(dāng)失去陽光/紫外線時(shí)，即回到原來的顏色。基本色：紫、紅、黃、藍(lán)、橙、天空藍(lán)。

（四）變色衣服

服裝業(yè)的革新之變一變色服飾。它可以在一定波長的光線照射下或溫度下產(chǎn)生變色現(xiàn)象，而在另一種波長的光線照射下或溫度下，又會發(fā)生可逆變化回到原來的顏色。中國乒乓球隊(duì)的比賽服，以傳統(tǒng)的中國紅為主色、輔主金色、鸚鵡藍(lán)等顏色;在印花工藝上運(yùn)用顏色光學(xué)原理，達(dá)到色彩漸變、金屬質(zhì)感等未來感極強(qiáng)的視覺效果[3]。

（五）日光變色油墨

日光變色油墨又稱光致變色類油墨，是采用高級的樹脂連接料，加特殊光致變色物質(zhì)和特殊助劑精制而成;合成工藝復(fù)雜，具有很大技術(shù)難度，標(biāo)記在日光或驗(yàn)鈔器照射下2-5秒后由無色變?yōu)榫G色、紅色、紫色或藍(lán)色。

（六）軍事

光致變色材料對強(qiáng)光特別敏感，可以用來制作強(qiáng)光輻射劑量劑。它能測量電離輻射，探測紫外線、X射線、y射線等的劑量。如將其涂在飛船的外部，能快速精確地計(jì)量出高輻射的劑量。還可以制成多層濾光器，控制輻射光的強(qiáng)度，防止紫外線對人眼及身體的傷害。如果把高靈敏度的光致變色體系指示屏用于武器上，可記錄飛機(jī)、軍艦的行蹤，形成可褪色的暫時(shí)痕跡[4]。

結(jié)束語：綜上所述，光致變色材料的研究是涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域的目前對于其的研究與開發(fā)無論是國外還是國內(nèi)都是方興未艾。今后研究工作的重點(diǎn)是研制光學(xué)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、可逆循環(huán)次數(shù)高的實(shí)用新型光致變色材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙博研，姚惠龍，曾文敏.基于環(huán)境模擬的光致變色紡織品變色性能及其色牢度[J].印染助劑，2021，（11）：35-39.

[2]詹永東，周文.柔性熒光樹脂發(fā)光特性的計(jì)算模擬與性能分析[J].彈性體，2021，（05）：46-50.

[3]頡志剛，楊范利.光唇魚對單色光偏好的性別差異及相關(guān)生理機(jī)制[J].中國水產(chǎn)科學(xué)，2021，（10）：1263-1271.

[4]孫炳恒，姜本學(xué)，范金太，張龍.高顯色激光照明用寬光譜遠(yuǎn)程熒光轉(zhuǎn)換材料[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2021，（10）：1585-1618.