Введение

В химии, хромизм – это процесс, вызывающий изменение, часто обратимое, в цвете соединений. В большинстве случаев хромизм основан на изменении электронных состояний молекул, особенно π- или d-электронных состояний, поэтому это явление индуцируется различными внешними стимулами, способными изменять электронную плотность веществ. Известно, что многие природные соединения проявляют хромизм, и на сегодняшний день синтезировано множество искусственных соединений со специфическими хромистическими свойствами. Обычно это синоним хромотропизма – (обратимого) изменения цвета вещества под воздействием физических и химических свойств окружающей среды, таких как температура и давление, свет, растворитель, а также присутствие ионов и электронов. Хромизм классифицируется в зависимости от типа используемых стимулов. Примеры основных видов хромизма следующие: термохромизм – хромизм, индуцированный теплом, то есть изменением температуры. Это наиболее распространенный вид хромизма. Фотохромизм индуцируется световым излучением. Это явление основано на изомеризации между двумя различными молекулярными структурами, светоиндуцированном образовании окрашенных центров в кристаллах, осаждении металлических частиц в стекле или других механизмах. Электрохромизм индуцируется приобретением и потерей электронов. Это явление наблюдается в соединениях с окислительно-восстановительно активными центрами, такими как ионы металлов или органические радикалы. Сольватохромизм зависит от полярности растворителя. Большинство сольватохромных соединений – металлокомплексы. Существует множество других видов хромизма, которые перечислены ниже. Результат, наблюдаемый для хромизмов, описанных выше, проявляется в изменении спектров поглощения хромирующего материала. Все более важной группой хромизмов являются те, в которых изменения проявляются в спектрах излучения. Поэтому они называются фторхромизмами, примерами которых являются сольватофторхромизм, электрофторхромизм и механофторхромизм.

Коммерческие применения

Материалы, изменяющие цвет, применяются как в ряде широко распространенных областей, так и во все большем количестве новых. Коммерческие применения включают фотохромику в офтальмологии, моде и косметике, системах безопасности, датчиках, оптической памяти и оптических переключателях, термохромику в красках, чернилах, пластмассах и текстиле в качестве индикаторов и датчиков, а также в архитектуре, ионохромику в копировальной бумаге, прямой термопечати и текстильных датчиках, электрохромику в автомобильных зеркалах, "умных" окнах, гибких устройствах и для солнечной защиты, сольватохромику в биологических зондах и датчиках, газохромику в окнах и газовых датчиках.

Люминесценция

Поглощение энергии с последующей эмиссией света часто описывается термином люминесценция. Конкретный термин, используемый для описания явления, зависит от источника энергии, вызывающего люминесценцию, как, например, в случае изменения цвета. Электрическая – электролюминесценция, гальванолюминесценция, сонолюминесценция. Фотоны (свет) – фотолюминесценция, флуоресценция, фосфоресценция, биофлуоресценция. Химическая – химилюминесценция, биолюминесценция, электрохимилюминесценция. Тепловая – термолюминесценция, пиролюминесценция, кандололюминесценция. Электронный луч – катодолюминесценция, анодолюминесценция, радиолюминесценция. Механическая – триболюминесценция, фрактолюминесценция, механолюминесценция, кристаллолюминесценция, лиолюминесценция, эластиколюминесценция. Многие из этих явлений широко применяются в потребительских товарах и других важных областях. Катодолюминесценция используется в электронно-лучевых трубках, фотолюминесценция – в флуоресцентном освещении и плазменных панелях, фосфоресценция – в знаках безопасности и маломощном освещении, флуоресценция – в пигментах, красках, оптических отбеливателях, защитной одежде, а также в биологическом и медицинском анализе и диагностике, химилюминесценция и биолюминесценция – в анализе, диагностике и сенсорах, а электролюминесценция – в быстро развивающихся областях светодиодов (LED/OLED), дисплеев и панельного освещения. Важные новые разработки происходят в области квантовых точек и металлических наночастиц.

Передача света и энергии

Поглощение света и передача (или преобразование) энергии включает в себя цветные молекулы, способные передавать электромагнитную энергию, как правило, в виде источника лазерного света, другим молекулам, преобразуя ее в другие формы, такие как тепловая или электрическая. Эти красители, адресуемые лазером, также называемые поглотителями ближнего инфракрасного излучения, используются для преобразования тепловой энергии, фотосенсибилизации химических реакций и селективного поглощения света. Области применения охватывают хранение оптических данных, использование в качестве органических фотопроводников, в качестве сенсибилизаторов в фотомедицине, например, в фотодинамической и фототермальной терапии рака, в фотодиагностике и фототераностике, а также в фотоинективации микробов, крови и насекомых. Поглощение естественного солнечного света хромическими материалами/хромофорами используется в солнечных элементах для производства электрической энергии посредством фотоэлектрического преобразования, как с использованием неорганических, так и органических материалов (органических фотоэлектрических элементов) и краситель-сенсибилизированных солнечных элементов (DSSC), а также для производства полезных химических веществ с помощью искусственного фотосинтеза. Развивающимся направлением является преобразование света в кинетическую энергию, часто описываемое общим термином «светоприводные молекулярные машины».

Манипуляция светом

Материалы могут использоваться для управления и манипулирования светом посредством различных механизмов для создания полезных эффектов, связанных с цветом. Например, изменение ориентации молекул для получения визуального эффекта, как в жидкокристаллических дисплеях. Другие материалы работают, создавая физический эффект посредством интерференции и дифракции, как в перламутровых и оптически переменных пигментах, коллоидных фотонных кристаллах и в голографии. Все большее вдохновение приходит из природы в форме биоимитированных структурных цветов. Молекулярные материалы также используются для увеличения интенсивности света путем изменения траектории его распространения в материале электрическими методами, тем самым повышая его интенсивность, как в органических лазерах, или для изменения прохождения света через материалы, как в оптоэлектронике, или исключительно оптическими методами, как в оптических ограничителях.