Les matériaux photochromiques peuvent changer de manière réversible leur couleur et leurs propriétés optiques lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière ultraviolette ou visible. Cependant, ils sont fabriqués à partir de composés organiques coûteux à synthétiser. Heureusement, pour la première fois, scientifiques de l'Université Ritsumeikan, Japon, ont découvert le photochromisme à commutation rapide dans un matériau inorganique peu coûteux :les nanocristaux de sulfure de zinc dopé au cuivre. Leurs résultats ouvrent la voie à une pléthore d'applications potentielles allant des fenêtres et lunettes de soleil adaptatives intelligentes aux agents anti-contrefaçon.

N'est-il pas pratique que les fenêtres des immeubles de bureaux s'assombrissent de manière adaptative en fonction de l'intensité de la lumière du soleil ? Ou quand les lunettes classiques se transforment en lunettes de soleil sous le soleil et se remettent en marche en entrant dans un bâtiment ? De telles prouesses sont possibles grâce aux matériaux photochromiques, dont les propriétés optiques (et autres) changent radicalement lorsqu'elles sont irradiées par la lumière visible ou ultraviolette.

Aujourd'hui, pratiquement tous les matériaux photochromiques à commutation rapide sont fabriqués à partir de composés organiques. Malheureusement, cela les rend considérablement coûteux et complexes à synthétiser, nécessitant des processus en plusieurs étapes difficiles à étendre pour une production de masse. Donc, malgré la myriade d'applications potentielles que ces matériaux pourraient permettre, leur application commerciale a été limitée. Trouver des matériaux photochromiques inorganiques à commutation rapide, qui pourraient rendre ces applications potentielles largement commercialement possibles, s'est avéré difficile. Cependant, une nouvelle étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society apporte un nouvel espoir dans ce domaine.

Dans cette étude, une équipe de scientifiques de l'Université Ritsumeikan, Japon, dirigé par le professeur agrégé Yoichi Kobayashi, ont découvert que les nanocristaux de sulfure de zinc (ZnS) dopés avec des ions cuivre (Cu) ont des propriétés photochromiques particulières. Lorsqu'il est irradié par la lumière ultraviolette et visible (UV-Vis), ces cristaux passent du blanc crème au gris foncé. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que lorsque la source de rayonnement est éteinte, il faut environ une minute pour que le matériau retrouve sa couleur blanc crème d'origine dans l'air, mais il le fait à l'échelle de la microseconde lorsqu'il est immergé dans des solutions aqueuses. L'équipe a analysé théoriquement et expérimentalement ce matériau, déterminé à clarifier les subtilités de son comportement photochromatique inédit.

Mais pourquoi les nanocristaux de ZnS dopés au Cu changent-ils de couleur lorsqu'ils sont irradiés par la lumière, et pourquoi cela peut-il prendre longtemps pour qu'ils retrouvent leur couleur d'origine ? La réponse, comme les scientifiques l'ont prouvé, a beaucoup à voir avec la dynamique des porteurs de charge photoexcités. Lorsqu'un photon frappe un matériau, la collision peut dynamiser les électrons et les amener à quitter leurs positions par ailleurs stables dans leurs orbitales moléculaires. L'absence de l'électron laisse une charge positive localisée qui, en physique du solide, est appelé un "trou".

Dans la plupart des matériaux, la paire électron-trou existe très peu de temps avant de s'annuler, réémettant une fraction de l'énergie que l'électron a obtenu à l'origine. Cependant, en ZnS dopé Cu, l'image est très différente. Les trous sont effectivement piégés par les ions Cu tandis que les électrons photoexcités peuvent librement sauter vers d'autres molécules, et ces effets retardent le processus de recombinaison. Comme l'équipe l'a démontré, les trous à vie longue altèrent les propriétés optiques du matériau, provoquant l'effet photochromatique observé.

La découverte du premier nanocristal inorganique à présenter un photochromisme à commutation rapide représente un progrès bien nécessaire dans ce domaine, surtout pour des applications pratiques. "Le sulfure de zinc est relativement non toxique et peut être facilement synthétisé à faible coût, " dit Kobayashi. " Nous pensons que nos recherches conduiront à l'utilisation généralisée de matériaux photochromiques à réponse rapide dans la société. lunettes intelligentes, vitres pour véhicules et maisons, et même un stockage holographique à grande vitesse. Ils pourraient également être utilisés comme agents anti-contrefaçon avancés pour des marques et des médicaments importants.

En outre, cette étude a des implications pour les chercheurs qui souhaitent approfondir d'autres domaines de la physique optique appliquée. À cet égard, Kobayashi remarque :« Nous avons démontré que la réaction photochromique des nanomatériaux peut être ajustée en contrôlant la durée de vie des porteurs photoexcités. Il est important d'explorer de nouveaux nanomatériaux avec des porteurs excités à ultralongue durée de vie. non seulement pour les matériaux photochromiques, mais aussi pour les matériaux photofonctionnels avancés tels que les matériaux luminescents et les photocatalyseurs."

Cette étude pourrait ouvrir la voie à des applications pratiques du photochromisme, y compris l'éclairage adaptatif.