Los materiales fotocrómicos pueden cambiar reversiblemente su color y propiedades ópticas cuando se irradian con luz ultravioleta o visible. Sin embargo, están hechos de compuestos orgánicos que son costosos de sintetizar. Afortunadamente, por primera vez, científicos de la Universidad de Ritsumeikan, Japón, han descubierto el fotocromismo de cambio rápido en un material inorgánico económico:nanocristales de sulfuro de zinc dopados con cobre. Sus resultados allanan el camino para una gran cantidad de aplicaciones potenciales que van desde ventanas y gafas de sol adaptables inteligentes hasta agentes contra la falsificación.

¿No es conveniente que las ventanas de los edificios de oficinas se oscurezcan de forma adaptativa según la intensidad de la luz solar? ¿O cuando las gafas estándar se convierten en gafas de sol bajo el sol y vuelven al entrar en un edificio? Tales hazañas son posibles gracias a los materiales fotocrómicos, cuyas propiedades ópticas (y otras) cambian radicalmente cuando se irradian con luz visible o ultravioleta.

Hoy dia, Prácticamente todos los materiales fotocrómicos de cambio rápido se fabrican con compuestos orgánicos. Desafortunadamente, esto los hace considerablemente costosos y complejos de sintetizar, que requieren procesos de varios pasos que son difíciles de escalar para la producción en masa. Entonces, a pesar de la gran cantidad de aplicaciones potenciales que estos materiales podrían permitir, su aplicación comercial ha sido limitada. Encontrar materiales fotocrómicos inorgánicos de cambio rápido, lo que podría hacer que esas aplicaciones potenciales sean ampliamente posibles comercialmente, ha demostrado ser un desafío. Sin embargo, un nuevo estudio publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense trae nueva esperanza en este campo.

En este estudio, un equipo de científicos de la Universidad de Ritsumeikan, Japón, dirigido por el profesor asociado Yoichi Kobayashi, descubrió que los nanocristales de sulfuro de zinc (ZnS) dopados con iones de cobre (Cu) tienen propiedades fotocrómicas peculiares. Cuando se irradia con luz ultravioleta y visible (UV-Vis), estos cristales cambian de un blanco cremoso a un gris oscuro. Lo que es especialmente interesante es que cuando se apaga la fuente de radiación, el material tarda alrededor de un minuto 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 analizó teórica y experimentalmente este material, decidido a aclarar las complejidades de su comportamiento fotocromático nunca antes visto.

Pero, ¿por qué los nanocristales de ZnS dopados con Cu cambian de color cuando se irradian con luz? y ¿por qué pueden tardar mucho en volver 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 orbitales moleculares. La ausencia del electrón deja una carga positiva localizada que, en física del estado sólido, se conoce como un "agujero".

En la mayoría de los materiales, el par electrón-agujero 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 ZnS dopado con Cu, la imagen es muy diferente. Los agujeros quedan atrapados de forma eficaz por los iones de 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 agujeros de larga duración alteran las propiedades ópticas del material, causando el efecto fotocromático observado.

El descubrimiento del primer nanocristal inorgánico que exhibe fotocromismo de cambio rápido 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, ", dice Kobayashi." Creemos que nuestra investigación conducirá al uso generalizado de materiales fotocromáticos de respuesta rápida en la sociedad ". Ejemplos de aplicaciones notables para tales materiales fotocromáticos incluyen televisión en 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.

Además, este estudio tiene implicaciones para los investigadores que deseen profundizar en otras áreas de la física óptica aplicada. A este respecto, Kobayashi comenta:"Hemos demostrado que la reacción fotocrómica de los nanomateriales se puede ajustar controlando la vida útil de los portadores fotoexcitados. Es importante explorar nuevos nanomateriales con portadores excitados de vida ultralarga". no solo para materiales fotocromáticos, sino también para materiales fotofuncionales avanzados como materiales luminiscentes y fotocatalizadores ".

Este estudio podría allanar el camino para aplicaciones prácticas del fotocromismo, incluida la iluminación adaptativa.