„Photochrom“: Sichtbare Energiesparfarbe

Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sind derzeit wichtige Mittel zur Bewältigung des globalen Klimawandels. Im Jahr 2021 entfielen 34 % des weltweiten Energieverbrauchs auf Gebäude, und der Energieverbrauch von Gebäuden war für 37 % der Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Mehr als die Hälfte des Energieverbrauchs eines Gebäudes wurde für die Kühlung, Heizung und Beleuchtung der Innenräume verwendet. Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, haben intelligente Fenster, die die Sonnenlichtdurchlässigkeit dynamisch anpassen können, in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Das Prinzip dieses intelligenten Fensters ist die Photochromie, die die Farbe je nach Lichteinfall aus verschiedenen Richtungen rechtzeitig anpassen und das Sonnenlicht adaptiv steuern kann.

Kürzlich veröffentlichte das Team um Akademiker Jiang Lei vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften seine Forschungsergebnisse zu photochromen Polymerfilmen in Advanced Materials. Die Folie kann den Tageslichtkomfort in Innenräumen verbessern, indem sie bei starkem Sonnenlicht übermäßiges Licht und Blendung vermeidet, während sie bei schwachem Sonnenlicht die Innenbeleuchtung nicht beeinträchtigt.

Mit der fortschreitenden Erforschung photochromer Materialien werden in einigen Smartphones neue und einzigartige photochrome Verarbeitungstechnologien eingesetzt, bei denen anorganische photochrome Materialien mit anderen Materialien kombiniert werden, die bei Sonneneinstrahlung ihre Farbe ändern. Photochrome Brillengläser sind da keine Ausnahme. Sie verändern die Farbe der Linsen nach dem Prinzip der Photochromie, um die Augen vor starkem Licht zu schützen.

Als photochrome Materialien gelten Materialien, die hinsichtlich Farbe, Polarität, chemischer Zusammensetzung, Fluoreszenzemission usw. allmählich zwei verschiedene Zustände einnehmen können. Diese Eigenschaft kann für fälschungssichere Etiketten, elektronische Bauteile, photochemische Gravuren, lichtempfindliche Wandoberflächendekorationen im Innen- und Außenbereich und in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Organische photochrome Materialien wurden als erste bei der Entwicklung der Photochromie entdeckt. Es gibt sie in vielen Varianten, mit satten, hellen Farben und hervorragender Plastizität. Die häufigsten sind Spiropyrane, Spirooxazine, Azobenzole, Diarylethene, Viologene, Schiff-Basen usw.

Im Vergleich zu organischen photochromen Materialien weisen anorganische photochrome Materialien eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf. Das Prinzip der Farbänderung besteht darin, dass bei Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher spezieller Wellenlängen die Elektronen in der Anisotropie Ladungstransfer und -übergang erzeugen und sich die Farbe auf makroskopischer Ebene ändert. Durch Bestrahlung des vorbereiteten Materials mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge oder durch allmähliche Wärmestimulation kann es in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Dabei fangen einige Säureionen, die als wichtige Bestandteile oder schädliche Verunreinigungen fungieren, durch Licht freigesetzte Elektronen ein, was die Voraussetzung für den Elektronentransfer ist. Die gebräuchlichsten anorganischen photochromen Materialien können im Allgemeinen in Übergangsmetalloxide, Polyoxometallate, Metallhalogenide und Seltenerdkomplexe unterteilt werden.

Organisch-anorganische photochrome Verbundmaterialien werden durch Hybridisierung organischer Verbindungen mit mineralischen Elementen gewonnen. Das Endprodukt verfügt sowohl über die gute Modifikationswirkung organischer photochromer Materialien als auch über die Stabilität anorganischer photochromer Materialien. Dieses neue Material nutzt die Ligandenkoordination, um ein großes Molekülgerüst zu erhalten, und seine Leistung wird durch seine ursprüngliche Zusammensetzung bestimmt. Chemiker kombinieren relevante funktionelle Gruppen, wie etwa kathodische Polarisation oder Lichtbestrahlung, um vollständig in das Innere von Monomeren oder Oligomeren einzudringen und maßgeschneiderte organische Verbindungen mit höherem relativen Molekulargewicht zu erhalten. Organisch-anorganische photochrome Verbundmaterialien behalten nicht nur ihre jeweiligen physikalischen und chemischen Eigenschaften, sondern ermöglichen auch die Ausbildung synergistischer oder antagonistischer Effekte zwischen Modulen.

Photochrome Materialien werden häufig zur fälschungssicheren Identifizierung verwendet. Fälschungssichere Etiketten werden mithilfe der photochromen Technologie hergestellt und können zu Fasern verarbeitet oder auf die Oberfläche beschichtet werden. Auch bei der Speicherung von Informationen im Zusammenhang mit optischen Bildern wurden Erfolge erzielt. Mithilfe der reversiblen Eingabe von Farbunterschieden photochromer Materialien und spezifischer Informationsspeicherdaten sind schnelles Feedback, hoher Lichtkontrast und dreidimensionale Datenspeicherung die Faktoren zur Beurteilung der Qualität gespeicherter Informationsdateien. Diese Art der optischen Materialspeicherung bietet offensichtliche Vorteile wie schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, hohe Speicherinformationsdichte und reibungslosen Betrieb. Seine Gesamtleistung übertrifft die der meisten Speicher auf dem Markt. Photochrome Materialien für zivile Funktionsstoffe werden mit gewöhnlichen Textilien kombiniert, um es Funktionsstoffen zu ermöglichen, je nach Faktoren wie Licht und Umgebungstemperatur Echtzeit-Farbsignale anzuzeigen.

Die eingehende Erforschung des photochromen Mechanismus, die wissenschaftliche Erklärung des Farbänderungsprozesses photochromer Materialien und die Entwicklung neuer photochromer Materialien mit besserer Leistung, geringeren Kosten und herausragenderen Anwendungseffekten sind in Zukunft ein wichtiger Entwicklungstrend bei photochromen Materialien.

(Mo Zunli ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und Chen Qianglong ist Masterstudent an der Northwest Normal University)