有机光致变色材料

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1、-1-有机光致变色材料陈悦二八年十二月-2-1.有机光致变色材料的分类 2.有机光致材料的用途 3.新型有机光致材料螺噁嗪的合成方法 4.有机光致变色材料在光信息处理中的应用-3-有机光致变色现象发现至今已有100 多年的 历史。1867年Fritzsche 观察到黄色的并四苯在 空气和光作用下的褪色现象,所生成的物质受热时 重新生成并四苯,变回原来的颜色。20 世纪50年 代Hirshberg 陆续报道了关于螺吡蝻类化合物受 光照变色,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,并把上述现象称为光致 变色现象(photochromism) 。-4-光致变色现象光致变色现象是指

2、一个化合物(A) 在受到一定波长的光照 射时,可进行特定的光化学反应,获得产物(B) ,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;而在 另一波长光的照射下或热的作用下,又能恢复到原来的形 式。其典型的紫外- 可见吸收光谱和光致变色反应可以用图1 - 1 定性描述-5-1 有机光致变色化合物的分类 螺吡喃类 1. 1螺吡喃( spiropyran) 是最早进行研究且研究得广泛、 比较深 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 异裂，发生分子内的周环反应,生成具有共轭结构的开环 化合物。 变色反应为:-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 化

3、降解且开环吸收的波长一般都小于600nm. 1. 2 螺噁嗪类 螺噁嗪( spirooxazine) 是20 世纪70 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 螺吡喃相似,变色反应为:螺噁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,是最 有希望进入应用领域的光致变色材料。 -7-8-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 研究最深入的是用呋喃取

4、代的俘精酸酐。-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。-10-11-与偶氮、螺吡喃、螺噁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 快速响应性的优点。-12-萘醌类光致变色材料其最大的优点是可循环次数高， 可逆转换发生500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-13-紫精类化合物是一类很特殊的有机物,它具有优良的氧 化还原性质,可通过化学、电化学和光化学等方法发生氧化 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 很好的光致

5、变色化合物,同时还发现具有大分子杂环的化合 物,具有很好的抗微生物活性,可用以制作生物学材料 。-14-3.光致变色材料的应用 (1)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料的一个新的发展方向。-15-(2)装饰和防护包装材料光致变色化合物可用作指甲漆、漆雕T艺品、T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

6、；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 屏风玻璃等，防护日光照射，保证安全。-16-(3)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 显影干法照相技术一 。在透明胶片等支持体上涂一层很 薄的光致变色物质(如螺吡喃、俘精酸酐等)，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。-17-(4)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 光辐剂量剂。它能测量电离辐射，探测紫外线、X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 计量 高辐射的剂量

7、。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。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。-18-2.新型有机光致变色材料螺噁嗪的光致变色原理和合成 21 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 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，螺嗯嗪的稳定形式是无色的闭环体(用SP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 闭环体变为开环的平面部花菁结构(用P

8、MC表示)，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 ，PMC又很快变为SP。示意如下：-19-1. 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-甲基一3H-吲哚的合成 1. 2. 2.N-乙基2，3，3-三甲基-3H-吲哚碘化物的合成-20-。 1-亚硝基一2。7一二羟基萘的合成-21-N一乙基一9一羟基螺嗯嗪的合成 -22-4.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可以作为光开关用于光通信。为解 决目前互联网的“交通堵塞”问题,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,不同信号各自传输

9、 自己的信息,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,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,又包括光交叉连接器和 光分插复用器及光开关。光开关在光通信中的作用有三 类: 。-23-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(波长转换器) 。利用有机光致变色材料的变 色特性,用不同频率的光照射有机材料,各种光之间有互相 抑制的作用,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,或者将某一光信号 开通或切断,完成以光来控制光的操作,因而有机光致变色 材料可以作为光开关用于光通信中。经过许多科学工作 者几十年的潜心研究,对有机光致变色材料的结构、性能 已经了解得比较清楚-24-目前,人们正在进一步研究其在光信息处理领域的应用 。在不久的将来,有机光致变色材料将在光信息处理等领 域发挥更加巨大的作用。