有机光致变色材料

1、创世界品牌建百年金发- -1 1- -有机光致变色材料有机光致变色材料陈悦陈悦二二八年十二月八年十二月创世界品牌建百年金发- -2 2- -1.有机光致变色材料的分类有机光致变色材料的分类2.有机光致材料的用途有机光致材料的用途3.新型有机光致材料螺新型有机光致材料螺噁噁嗪的合成方法嗪的合成方法4.有机光致变色材料在光信息处理中的应用有机光致变色材料在光信息处理中的应用创世界品牌建百年金发- -3 3- - 有机光致变色现象发现至今已有有机光致变色现象发现至今已有100 多年的历多年的历史。史。1867年年Fritzsche 观察到黄色的并四苯在空观察到黄色的并四苯在空气和光作用下的褪色现象气

2、和光作用下的褪色现象,所生成的物质受热时重所生成的物质受热时重新生成并四苯新生成并四苯,变回原来的颜色。变回原来的颜色。20 世纪世纪50年代年代Hirshberg 陆续报道了关于螺吡蝻类化合物受光陆续报道了关于螺吡蝻类化合物受光照变色照变色,在另一波长的光照射下或热的作用下又能在另一波长的光照射下或热的作用下又能恢复到原来颜色的现象恢复到原来颜色的现象,并把上述现象称为光致变并把上述现象称为光致变色现象色现象(photochromism) 。创世界品牌建百年金发- -4 4- -光致变色现象光致变色现象 光致变色现象是指一个化合物光致变色现象是指一个化合物(A) 在受到一定波长的光照在受到一

3、定波长的光照射时射时,可进行特定的光化学反应可进行特定的光化学反应,获得产物获得产物(B) ,由于结构或由于结构或电子组态的改变而导致其吸收光谱发生明显的变化电子组态的改变而导致其吸收光谱发生明显的变化;而在而在另一波长光的照射下或热的作用下另一波长光的照射下或热的作用下,又能恢复到原来的形又能恢复到原来的形式。式。 其典型的紫外其典型的紫外- 可见吸收可见吸收 光谱和光致变色反应可光谱和光致变色反应可 以用图以用图1 - 1 定性描述定性描述创世界品牌建百年金发- -5 5- -1 有机光致变色化合物的分类有机光致变色化合物的分类螺吡喃类螺吡喃类1. 1螺吡喃螺吡喃( spiropyran)

4、 是最早进行研究且研究得广泛、比是最早进行研究且研究得广泛、比较深较深入的一类有机光致变色化合物。螺吡喃变色过程是通过键的入的一类有机光致变色化合物。螺吡喃变色过程是通过键的异裂，发生分子内的周环反应异裂，发生分子内的周环反应,生成具有共轭结构的开环生成具有共轭结构的开环化合物。化合物。变色反应为变色反应为:创世界品牌建百年金发- -6 6- - 螺吡喃具有较好的光致变色性，其缺点就是抗疲劳性较差，易被氧螺吡喃具有较好的光致变色性，其缺点就是抗疲劳性较差，易被氧化降解且开环吸收的波长一般都小于化降解且开环吸收的波长一般都小于600nm.1. 2 螺螺噁噁嗪类嗪类螺螺噁噁嗪嗪( spirooxa

5、zine) 是是20 世纪世纪70 年代在螺吡喃基础上发年代在螺吡喃基础上发展起来的一类具有良好光致变色性能的化合物。其变色过程与展起来的一类具有良好光致变色性能的化合物。其变色过程与螺吡喃相似螺吡喃相似,变色反应为变色反应为:螺螺噁噁嗪是一类具有很高抗疲劳性和光稳定性的光致变色化嗪是一类具有很高抗疲劳性和光稳定性的光致变色化合物。它具有响应快、化学性质稳定、抗疲劳性好等优点合物。它具有响应快、化学性质稳定、抗疲劳性好等优点,是最是最有希望进入应用领域的光致变色材料。有希望进入应用领域的光致变色材料。 创世界品牌建百年金发- -7 7- -创世界品牌建百年金发- -8 8- - 俘精酸酐光、热

6、稳定性好，储存寿命长，抗疲劳性好，俘精酸酐光、热稳定性好，储存寿命长，抗疲劳性好，可擦写万次以上是一种可擦写的光存储材料。一些苯基取可擦写万次以上是一种可擦写的光存储材料。一些苯基取代的俘精酸酐在晶态、溶液、玻璃和聚合物中都观察到了代的俘精酸酐在晶态、溶液、玻璃和聚合物中都观察到了光致变现象，并且有明显的溶剂化显色现象。目前研究最光致变现象，并且有明显的溶剂化显色现象。目前研究最深入的是用呋喃取代的俘精酸酐。深入的是用呋喃取代的俘精酸酐。创世界品牌建百年金发- -9 9- - 偶氮化合物的不足之处就是变色前后吸收光谱吸收较小偶氮化合物的不足之处就是变色前后吸收光谱吸收较小并且热稳定性差，但是偶

7、氮化合物作为新型信息存储材料并且热稳定性差，但是偶氮化合物作为新型信息存储材料有超高存储密度和非破坏性信息读出等特性。有超高存储密度和非破坏性信息读出等特性。创世界品牌建百年金发- -1010- -创世界品牌建百年金发- -1111- - 与偶氮、螺吡喃、螺与偶氮、螺吡喃、螺噁噁嗪等光致变色化合物相比，二芳嗪等光致变色化合物相比，二芳基乙烯类化合物具有非常优良的热稳定性、抗疲劳性和快基乙烯类化合物具有非常优良的热稳定性、抗疲劳性和快速响应性的优点。速响应性的优点。创世界品牌建百年金发- -1212- - 萘醌类光致变色材料其最大的优点是可循环次数高，萘醌类光致变色材料其最大的优点是可循环次数高

8、，可逆转换发生可逆转换发生500次而不伤害材料，另一显著特点就是在次而不伤害材料，另一显著特点就是在室温下几乎无消色现象室温下几乎无消色现象创世界品牌建百年金发- -1313- - 紫精类化合物是一类很特殊的有机物紫精类化合物是一类很特殊的有机物,它具有优良的氧它具有优良的氧化还原性质化还原性质,可通过化学、电化学和光化学等方法发生氧化可通过化学、电化学和光化学等方法发生氧化还原反应还原反应,并随有显著的颜色变化研究表明紫精类化合物是并随有显著的颜色变化研究表明紫精类化合物是很好的光致变色化合物很好的光致变色化合物,同时还发现具有大分子杂环的化合同时还发现具有大分子杂环的化合物物,具有很好的抗

9、微生物活性具有很好的抗微生物活性,可用以制作生物学材料可用以制作生物学材料 。创世界品牌建百年金发- -1414- -3.光致变色材料的应用光致变色材料的应用(1)信息存储元件信息存储元件 利用光致变色化合物受不同强度和波长光照射时可反利用光致变色化合物受不同强度和波长光照射时可反复循环变色的特点，可以将其制成计算机的记忆存储元件，复循环变色的特点，可以将其制成计算机的记忆存储元件，实现信息的记忆与消除过程，其记录信息的密度大得难以实现信息的记忆与消除过程，其记录信息的密度大得难以想象，而且抗疲劳性能好，能快速写入和擦除信息。这是想象，而且抗疲劳性能好，能快速写入和擦除信息。这是新型记忆存储材

10、料的一个新的发展方向。新型记忆存储材料的一个新的发展方向。创世界品牌建百年金发- -1515- -(2)装饰和防护包装材料装饰和防护包装材料 光致变色化合物可用作指甲漆、漆雕光致变色化合物可用作指甲漆、漆雕T艺品、艺品、T恤衫、恤衫、墙壁纸等装饰品。为了适应不同的需要，可将光致变色化墙壁纸等装饰品。为了适应不同的需要，可将光致变色化合物加入到一般油墨或涂料用的胶粘剂、稀释剂等助剂中合物加入到一般油墨或涂料用的胶粘剂、稀释剂等助剂中混合制成丝网印刷油墨或涂料；还可将光致变色化合物制混合制成丝网印刷油墨或涂料；还可将光致变色化合物制成包装膜、建筑物的调光玻璃窗、汽车及飞机的屏风玻璃成包装膜、建筑物

11、的调光玻璃窗、汽车及飞机的屏风玻璃等，防护日光照射，保证安全。等，防护日光照射，保证安全。创世界品牌建百年金发- -1616- -(3)自显影全息记录照相自显影全息记录照相 这是利用光致变色材料的光敏性制作的一种新型自显这是利用光致变色材料的光敏性制作的一种新型自显影干法照相技术一影干法照相技术一 。在透明胶片等支持体上涂一层很薄。在透明胶片等支持体上涂一层很薄的光致变色物质的光致变色物质(如螺吡喃、俘精酸酐等如螺吡喃、俘精酸酐等)，其对可见光不，其对可见光不感光，只对紫外光感光，从而形成有色影像。这种成像方感光，只对紫外光感光，从而形成有色影像。这种成像方法分辨率高，不会发生操作误差，而且影

12、像可以反正录制法分辨率高，不会发生操作误差，而且影像可以反正录制和消除。和消除。创世界品牌建百年金发- -1717- -(4)国防上的用途国防上的用途 光致变色材料对强光特别敏感，因此可以用来制作强光致变色材料对强光特别敏感，因此可以用来制作强光辐剂量剂。它能测量电离辐射，探测紫外线、光辐剂量剂。它能测量电离辐射，探测紫外线、X射线、射线、7射线等的剂量。如将其涂在飞船的外部，能快速精确地射线等的剂量。如将其涂在飞船的外部，能快速精确地计量计量 高辐射的剂量。光致变色材料还可以制成多层滤光高辐射的剂量。光致变色材料还可以制成多层滤光器，控制辐射光的强度，防止紫外线对人眼及身体的伤害。器，控制辐

13、射光的强度，防止紫外线对人眼及身体的伤害。如果把高灵敏度的光致变色体系指示屏用于武器上，可记如果把高灵敏度的光致变色体系指示屏用于武器上，可记录飞机、军舰的行踪，形成可褪色的暂时痕迹。录飞机、军舰的行踪，形成可褪色的暂时痕迹。创世界品牌建百年金发- -1818- -2.新型有机光致变色材料螺新型有机光致变色材料螺噁噁嗪的光致变色原理和合成嗪的光致变色原理和合成21 光致变色原理光致变色原理 螺嗯嗪类光致变色材料是一种新型的、具有优异性能螺嗯嗪类光致变色材料是一种新型的、具有优异性能的材料，它的变色机制与螺吡喃的光致变色机制相同。通的材料，它的变色机制与螺吡喃的光致变色机制相同。通常情况下，螺嗯

14、嗪的稳定形式是无色的闭环体常情况下，螺嗯嗪的稳定形式是无色的闭环体(用用SP表示表示)，螺碳原子将螺嗯嗪分为两个近乎垂直的吲哚啉环和螺萘并螺碳原子将螺嗯嗪分为两个近乎垂直的吲哚啉环和螺萘并嗯嗪环，两环不共轭，在可见光区无吸收；但紫外光照时，嗯嗪环，两环不共轭，在可见光区无吸收；但紫外光照时，螺碳原子与氧原子之间的单键断裂，分子由闭环体变为开螺碳原子与氧原子之间的单键断裂，分子由闭环体变为开环的平面部花菁结构环的平面部花菁结构(用用PMC表示表示)，形成一个大的共轭体，形成一个大的共轭体系，在可见光区出现吸收。除去紫外光后，系，在可见光区出现吸收。除去紫外光后，PMC又很快又很快变为变为SP。示

15、意如下：。示意如下：创世界品牌建百年金发- -1919- - 光致变色材料螺嗯嗪的合成（光致变色材料螺嗯嗪的合成（以2，7一二羟基萘，苯肼，3一甲基一2一丁酮和碘乙烷为原料） 1.2、3、3-甲基一甲基一3H-吲哚的合成吲哚的合成 2.N-乙基乙基2，3，3-三甲基三甲基-3H-吲哚吲哚碘化物的合成碘化物的合成创世界品牌建百年金发- -2020- -。 1-亚硝基一亚硝基一2。7一二羟基萘的合成一二羟基萘的合成创世界品牌建百年金发- -2121- -N一乙基一一乙基一9一羟基螺嗯嗪的合成一羟基螺嗯嗪的合成 创世界品牌建百年金发- -2222- - 4.有机光致变色材料在光信息处理中的应用有机光

16、致变色材料在光信息处理中的应用 有机光致变色材料可以作为光开关用于光通信。为解有机光致变色材料可以作为光开关用于光通信。为解决目前互联网的决目前互联网的“交通堵塞交通堵塞”问题问题,就要在同一根光纤中就要在同一根光纤中,同时让两个或者两个以上的光信号通过同时让两个或者两个以上的光信号通过,不同信号各自传不同信号各自传输自己的信息输自己的信息,也就是波分复用技术。波分复用光纤通信也就是波分复用技术。波分复用光纤通信技术是建立在光器件的基础上技术是建立在光器件的基础上,其中包括光传输器件和光其中包括光传输器件和光交换器件两大类。对于光交换器件交换器件两大类。对于光交换器件,又包括光交叉连接器又包括

17、光交叉连接器和光分插复用器及光开关。光开关在光通信中的作用有三和光分插复用器及光开关。光开关在光通信中的作用有三类类:。创世界品牌建百年金发- -2323- -其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通。其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通。其二是将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道。其二是将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道。其三是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波其三是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号长的光信号(波长转换器波长转换器) 。利用有机光致变色材料的变色。利用有机光致变色材料的变色特性特性,用不同频率的光照射有机材料用不同频率的光照射有机材料,各种光之间有互相抑各种光之间有互相抑制的作用制的作用,因而在光纤中利用有机光致变色材料可以实现因而在光纤中利用有机光致变色材料可以实现光信息从一个通道转到另一通道中光信息从一个通道转到另一通道中,或者将某一光信号开或者将某一光信号开通或切断通或切断,完成以光来控制光的操作完成以光来控