泰酷辣！这类材料居然会变魔法

1. 引言

千变万化的魔法，会激起无数人的好奇心。“变色材料”，想必大家都不陌生，它指的是能够在特定条件下改变颜色的物质。一种常见的变色材料是热致变色材料，这些材料能够根据温度的变化而改变颜色。例如，热敏纸是一种经过特殊处理的纸张，当受到热源时,纸张上的涂层会发生变化，从而改变其颜色。除了热敏材料，还有一种常见的变色材料是光致变色材料，也就是本文重点科普的内容。在过去的十年中，对光致变色材料的研究变得越来越流行。人们在日常生活和工作中依赖更多的借助光致变色材料衍生的实用制品。光致变色遵循的规则是不同波长λ1的光作用后，物质A的颜色发生转变，是一种奇特的物理或化学反应。此时，考虑到基本结构发生了变化，物质B的吸收光谱也产生了变化。物质B通过一段时间不同波长λ2的光照作用后返回到原本的形式，这种逐渐形成材料所必需的可逆的物理化学变化，叫做光致变色现象[1]。

光致变色现象在生活中随处可见，一些智能手机采取使用新型独特的光致变色处理技术，将无机光致变色所需的材料与其他材料相结合，使得智能手机在受到阳光照射时颜色会发生变化。变色眼镜也不例外，依照光致变色原理改变镜片的颜色，以保护眼睛免受强光照射。不仅仅只会有光致变色，电、磁、pH、超声波等环境和条件的变化也会造成材料的变色，它们还会引起材料的结构和功能以及刺激响应性所需的能量的变化，或者造成聚合物链的基本结构发生变化等[2]。

图1.防伪荧光（图片来源于https:// cn.bing.com.）

光致变色材料被认为是一种可在色彩、极性、化学构成、荧光发射等方面逐渐形成两种不同的状况。采取这种特殊性能，光致变色材料一般应用于防伪标签、电子元件、光化学刻制、感光室内外墙体表面装潢等领域。

2.光致变色材料的门类及变化机制

2.1有机光致变色材料

有机光致变色材质在光致变色发展变迁中是最早的，它们品种相当多，光色较为丰富，可塑性优良。科学工作者和技术人员想要将不一样的基团构建到光致变色分子内，增加额外功能。当然，最常见的有机光致变色材料的类型为：螺吡喃类、螺恶嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、俘精酸酐类、紫精类、席夫碱类等。有机光致变色所需要的材料颜色差异控制机制囊括分子内化学键的断裂、化学分子的顺反异构，电子相互异构等[3]。图2、图3和图4分别说明了螺吡喃类、紫精类和俘精酸酐类材料的光致变色控制机理。

图2.螺吡喃类光致变色材料变色机制 [3]

2.2无机光致变色材料

考虑到无机光致变色需求的材料比有机光致变色需求的材料拥有更好的耐高温和抗疲劳性。自从它们被发现以来，已经成为一个时尚的研究课题。无机光致变色需求的材料的光致变色原因是在不同特殊波长的光照射下，各向异性中的电子产生电荷转移和跃迁，宏观上发生颜色的转变。当制备的材料受到不同波长的光照射或逐渐形成的热量刺激时，就能够恢复到原来的形态。在这个相对应的步骤中，一些拿来充当重要成分或有害杂质的酸离子以期扑捉一些光照步骤中释放的电子，这就是电子转移的前提[4]。最常见的无机光致变色材料一般可分为：过渡金属氧化物、多金属氧酸盐、金属卤化物以及稀土配合物。

图3.紫精类光致变色材料变色机制（图片来源于文献[3]）

2.3有机-无机复合光致变色材料

有机-无机复合光致变色材料一般由有机化合物与矿物元素杂化取得，最终产品既有机光致变色材料良好的改性效果，还有无机光致变色材料的稳固性和可靠性。此外，上述复合材料已成为较热的课题深入探索。有机-无机复合光致变色材料可控机制为：电子氧化还原转移、插层空间框架、光致变色分子或分子内π电子物理性质的变化[5]。一方面，这种组合新材料借助配体配位获得大的分子框架，大分子框架的效能是由原始组成决定。化学家将结合有所关联的官能团，例如阴极极化或光照射，这些特殊官能团能够充分渗透到单体或低聚物的内部，以获得定制的相对分子量较大的有机化合物。有机-无机复合光致变色材料不仅保留了各物理、化学性能的品质，而且允许各自定义的模块之间逐步形成协同或拮抗效能[6]。

图4. 俘精酸酐类光致变色材料变色机制[3]

3.光致变色材料的应用

光致变色所需的材料在防伪识别方面有着广泛的应用。一方面，通过光致变色工艺制备出防伪标，如可以制成纤维、涂膜到表面等。这样便能够更好的贴合实际，尽可能适应生产需求[7]。如图5A所示，光照前后的防伪标志非常明显。另一方面，在光学图像相关信息存储方面也取得了成果，借助光致变色材料颜色差异的可逆性来录入和信息储存具体资料，判断存储信息文件品质的很要紧要素是快速反馈、高发光对比度、三维保存数据以及需要数据的不损取用。这类光学资料存储器备有反应速度快、存储信息密度大、运转平稳等鲜明优势，整体性能在市场上大多数存储器之上[8]。如图5B所示，采用新光学存储技术让单张光盘容量可以突破500T。将民用型功能织品光致变色材质同普通的纺织品组合在一起，使人们用的功能织物能够根据光、周围温度等要素表现出实时化颜色信号显示。如图5C是未来的智能服装，它可以实时的将人体健康转变到衣服上面，使人们及时发现病情并得到有效治疗。随着源源不断的顾客对服饰渐趋多元化功能的追随，人们穿的光致变色功能衣饰将是一个好的开发方向[9]。

图5. A光照前后的防伪标志; B新光学存储技术刻录光盘；C未来的智能服装（图片来源于https://baidu.com）

4、结语

随着光致变色技术在品牌服饰、鉴别真伪、资料保存等领域范围内的可用与再进步，光致变色材料的研制热度不断。由于工作量的日积月累，有机和无机光致变色材料相比而言学术成果更多，但难免都有着自身的缺陷，有机–无机复合光致变色材料正向外扩展成为一个有优裕前景的科研方向，通过将有机和无机光致变色材料整合在一起，减弱各自的单一性能，增强复合材料的总体性能，势必能更好提速光致变色材料的广泛应用。

参考文献

[1] 郭洁芬,赵喜玲,曹喜云,等.光致变色材料的制备、性能及变色机理[J].化学工程师,2021.35(9)57-60.

[2] 李艳,王鑫,赵雄燕. 刺激响应荧光变色材料的结构特点及应用[J].应用化工,2021,50(1)229-232.

[3]余存军,陈百顺,赵国樑,等.光致变色材料结构与变色机制研究进展[J].中国食品药品监管,2023(05):32-41.

[4]郭洁芬,赵喜玲,曹喜云,等.光致变色材料的制备、性能及变色机理[J].化学工程师,2021,35(09):35-42.

[5]李丽. 无机-有机杂化光致变色晶态材料的设计合成及性能研究[D].长春：东北师范大学,2021.

[6]张倩.膦酸构筑的光致变色杂化材料及其质子导电与光磁响应研究[D].青岛:青岛大学,2022.

[7]张国锋.光致变色防伪材料及其应用[J].印刷质量与标准化,2010(08):52-54.

[8]庄逸熙,陈敦榕,解荣军.面向光学信息存储应用的深陷阱长余辉发光材料[J].激光与光电子学进展,2021,58(15):11-34.

[9]郭静,胡钒,张红娟,等.光致变色纺织品的制备方法及其应用[J].上海纺织科技,2022,50(12):8-12,43.

来源：化学通讯

编辑：悦悦

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