在材料科学中，光响应材料因其独特的动态行为和广泛的应用前景而备受瞩目。其中，光致变色材料，作为一种能够在光照下发生颜色变化并能在特定条件下恢复原始状态的材料，更是成为研究热点。近期，岭南师范学院、惠州学院王胜教授团队、中山大学、五邑大学池振国教授、毛竹副研究员提出介电微环境调控开环速率，为这类材料的应用开辟了新的道路。
光致变色材料的开环反应是其实现颜色变化和功能转换的关键步骤。然而，这一过程的速率往往受到多种因素的影响，其中介电环境是一个重要的调控因素。介电常数，作为描述材料介电性质的物理量，反映了材料在电场作用下的电荷分布和极化程度。在光致变色材料中，介电常数的变化可以显著影响分子的振动模式、偶极矩和极化状态，进而调控开环反应的速率。
图 1 分子结构与光致变色反应过程：(a) 2F1Br、2Cl1Br和3Br的结构与光致变色反应；(b) 2F1Br在不同介电常数（ε）溶剂中的褪色过程；(c) 介电效应对三苯乙烯体系开环速率的影响。
在一系列光致变色分子中，三苯乙烯衍生物因其独特的结构和性质而备受关注。这类分子在光照下可以发生环化反应，形成闭环异构体，并在特定条件下通过开环反应恢复为开环异构体。该团队通过引入卤素原子（如氟、氯和溴）到三苯乙烯的苯环上，可以设计出具有优异光致变色性能的新型分子。这些新型分子不仅在单分子状态下表现出良好的光致变色性能，而且在聚集状态下同样具有显著的光响应性。
研究发现，这些新型三苯乙烯衍生物的开环速率在不同溶剂中呈现出显著差异。通过详细研究，他们发现溶剂的介电常数对开环速率具有重要影响。具体来说，随着溶剂介电常数的增加，分子的极化程度和偶极矩也相应增大，导致分子变形增加，从而更容易发生开环反应，开环反应速率增大。这一发现揭示了介电环境在调控光致变色材料开环速率中的关键作用。
图 2 不同状态下的开环过程：(a) 在不同固态下的变化；(b) 掺杂在不同聚合物中的变化；(c) 在不同溶液中的变化；(d-f) 不同溶剂中开环速率与介电常数的关系；(g) 2F1Br在不同溶剂中暗处或可见光照射下的开环过程；(h) 2Cl1Br在玻璃态下不同温度的开环过程；(i) 2Cl1Br在不同温度下的阿伦尼乌斯方程拟合曲线；(j) 关闭365nm紫外灯后，2F1Br在不同状态下的照片。
为了进一步验证介电调控机制，他们发现，在相同条件下，不同溶剂中三苯乙烯衍生物的开环速率与溶剂的介电常数呈现出良好的相关性。此外，他们还通过计算分子的振动模式、偶极矩和极化变化等参数，深入探讨了介电环境对开环反应过程的影响机制。这些计算结果不仅支持了实验观察，还为理解介电调控的微观机制提供了重要依据。
掺杂在聚合物中和在聚集态下，同样可以观察到这种介电相关性。通常，对于特定材料而言，晶体（有序相）中的介电常数远大于过冷液体或玻璃态（无序相）中的介电常数。在晶体状态下褪色速率（开环速率）很快。相比之下，当处于非晶态（过冷态或玻璃态）时，褪色速率会大大减慢，光致变色特征可以轻易地用肉眼捕捉到。这一发现为通过调控材料的聚集状态和介电环境来优化光致变色性能提供了新的思路。
介电调控在光致变色材料中的应用前景广阔。通过合理设计材料的介电环境和聚集状态，可以实现对开环速率的精确调控，从而优化光致变色材料的性能和应用效果。例如，在光控高密度信息存储、紫外探测器和防伪技术等领域，具有快速响应和稳定性能的光致变色材料具有重要的应用价值。通过介电调控策略，可以开发出更加高效、可靠的光响应材料和器件，推动相关领域的科技进步和应用发展。
图 3 多模式应用与疲劳性能：(a) 2F1Br、2Cl1Br和3Br在滤纸上的光控图案应用；(b) 2F1Br在滤纸上的多次重复擦写；(c) 涂覆2F1Br的纺织品作为紫外线检测器；(d) 2F1Br、2Cl1Br和3Br在粉末状态下的可逆光致变色快速响应过程；(e-f) 2F1Br在(e) 10% PMMA和(f) 原始粉末中的疲劳性能。
综上所述，介电调控在光致变色材料开环速率中发挥着关键作用。通过深入研究介电环境对开环反应过程的影响机制，我们可以为优化光致变色材料的性能和应用效果提供有力支持。未来，随着相关研究的不断深入和技术的不断进步，介电调控策略有望在更多领域展现出其独特的优势和广阔的应用前景。
论文信息：
Miao Luo a,b, Juan Zhao c, Qing Yan a, Chengpeng Li a, Yanyan Liu d, Zhan Yang c, Zhu Mao c,*, Sheng Wang a,e,*, and Zhenguo Chi b,c,*, Reversible behavior of photochromic process controlled by dielectric microenvironment, Chemical Engineering Journal
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156214
来源：高分子科学前沿
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（注：此文章第一作者是我院教师罗妙博士，通讯作者是岭南师范学院/惠州学院王胜教授、中山大学/五邑大学池振国教授、毛竹副研究员）。
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