I materiali fotocromatici possono cambiare in modo reversibile il loro colore e le proprietà ottiche quando irradiati con luce ultravioletta o visibile. Però, sono costituiti da composti organici costosi da sintetizzare. Fortunatamente, per la prima volta, scienziati della Ritsumeikan University, Giappone, hanno scoperto il fotocromismo a commutazione rapida in un materiale inorganico poco costoso:nanocristalli di solfuro di zinco drogati con rame. I loro risultati aprono la strada a una miriade di potenziali applicazioni che vanno da finestre e occhiali da sole intelligenti adattivi agli agenti anticontraffazione.

Non è conveniente quando le finestre degli edifici per uffici si scuriscono in modo adattativo in base all'intensità della luce solare? O quando gli occhiali standard si trasformano in occhiali da sole sotto il sole e tornano indietro quando entri in un edificio? Tali imprese sono possibili grazie a materiali fotocromatici, le cui proprietà ottiche (e altre) cambiano radicalmente quando irradiate dalla luce visibile o ultravioletta.

Oggi, praticamente tutti i materiali fotocromatici a commutazione rapida sono realizzati utilizzando composti organici. Sfortunatamente, questo li rende notevolmente costosi e complessi da sintetizzare, richiedono processi in più fasi difficili da scalare per la produzione di massa. Così, nonostante la miriade di potenziali applicazioni che questi materiali potrebbero consentire, la loro applicazione commerciale è stata limitata. Trovare materiali fotocromatici inorganici a commutazione rapida, che potrebbero rendere tali potenziali applicazioni ampiamente possibili commercialmente, si è rivelato impegnativo. Però, un nuovo studio pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana porta nuova speranza in questo campo.

In questo studio, un team di scienziati della Ritsumeikan University, Giappone, guidato dal Professore Associato Yoichi Kobayashi, hanno scoperto che i nanocristalli di solfuro di zinco (ZnS) drogati con ioni di rame (Cu) hanno proprietà fotocromatiche peculiari. Quando irradiato da luce ultravioletta e visibile (UV-Vis), questi cristalli virano dal bianco crema al grigio scuro. La cosa particolarmente interessante è che quando la sorgente di radiazioni è spenta, ci vuole circa un minuto intero perché il materiale ritorni al suo colore bianco crema originale nell'aria, ma lo fa nella scala dei microsecondi quando è immerso in soluzioni acquose. Il team ha analizzato teoricamente e sperimentalmente questo materiale, determinato a chiarire le complessità del suo comportamento fotocromatico mai visto prima.

Ma perché i nanocristalli di ZnS drogati con Cu cambiano colore quando irradiati dalla luce, e perché può volerci molto tempo prima che ritornino al loro colore originale? La risposta, come hanno dimostrato gli scienziati, ha molto a che fare con la dinamica dei portatori di carica fotoeccitati. Quando un fotone colpisce un materiale, la collisione può energizzare gli elettroni e farli lasciare le loro posizioni altrimenti stabili nei loro orbitali molecolari. L'assenza dell'elettrone lascia una carica positiva localizzata che, nella fisica dello stato solido, viene indicato come un "buco".

Nella maggior parte dei materiali, la coppia elettrone-lacuna esiste per un tempo molto breve prima di annullarsi a vicenda, riemettendo una frazione dell'energia che l'elettrone aveva originariamente ottenuto. Però, in ZnS drogato con Cu, l'immagine è molto diversa. I fori sono efficacemente intrappolati dagli ioni Cu mentre gli elettroni fotoeccitati possono saltare liberamente su altre molecole, e questi effetti ritardano il processo di ricombinazione. Come ha dimostrato la squadra, i fori di lunga durata alterano le proprietà ottiche del materiale, causando l'effetto fotocromatico osservato.

La scoperta del primo nanocristallo inorganico ad esibire il fotocromismo a commutazione rapida rappresenta il progresso tanto necessario in questo campo, soprattutto per applicazioni pratiche. "Il solfuro di zinco è relativamente non tossico e può essere facilmente sintetizzato a basso costo, " afferma Kobayashi. "Riteniamo che la nostra ricerca porterà all'uso diffuso di materiali fotocromatici a risposta rapida nella società". Esempi di applicazioni notevoli per tali materiali fotocromatici includono la televisione 3D, occhiali intelligenti, finestre per veicoli e case, e persino l'archiviazione olografica ad alta velocità. Potrebbero essere utilizzati anche come agenti anticontraffazione avanzati per importanti marchi e farmaci.

Inoltre, questo studio ha implicazioni per i ricercatori che desiderano approfondire altre aree della fisica ottica applicata. A questo proposito, Kobayashi osserva:"Abbiamo dimostrato che la reazione fotocromatica dei nanomateriali può essere regolata controllando la durata dei portatori fotoeccitati. È importante esplorare nuovi nanomateriali con portatori eccitati a vita ultralunga, non solo per i materiali fotocromatici, ma anche per materiali fotofunzionali avanzati come materiali luminescenti e fotocatalizzatori."

Questo studio potrebbe aprire la strada ad applicazioni pratiche del fotocromismo, inclusa l'illuminazione adattiva.