Molekulové chameleóny

Nie sme zvyknutí na rýchlu zmenu farby nejakého predmetu. To, že nám vybledli farby na tričku, si väčšinou všimneme až po niekoľkých mesiacoch. Existujú však molekuly, ktoré menia farbu na želanie, a preto ich môžeme smelo označiť za molekulových chameleónov.

Farba predmetov závisí od svetla (elektromagnetického žiarenia), ktoré od nich prichádza. Ak samotný predmet nesvieti, tak pre jeho farbu je rozhodujúce odrazené svetlo. Časť dopadajúceho slnečného svetla, v prípade vnemu všetkých farieb okrem bielej, predmet pohltí. V prípade organických farbív je dôsledkom pohltenia (absorpcie) svetla prechod elektrónu z najvyššej obsadenej energetickej hladiny, z tzv. základného stavu, na najbližšiu dovolenú voľnú energetickú hladinu, do tzv. excitovaného stavu.  Čo sa však deje s pohlteným žiarením? Časť energie pohlteného žiarenia sa vždy premení na teplo, časť môže byť vyžiarená opäť ako svetlo vo forme fluorescencie (prípadne fosforescencie). Vtedy vnímame farbu ako žiariacu. Existuje však aj ďalšia možnosť, a to využitie nadbytočnej energie molekuly na chemickú premenu látky. Vtedy hovoríme o fotochemickej reakcii. To, ktorý dej bude dominovať, závisí od rýchlosti jednotlivých procesov. V tomto prípade platí, že rýchlejší je pravdepodobnejší, a tak má právo načerpať si z daného energetického krčahu najviac.

Fotochromizmus 

Ak je fotochemická premena látky na inú formu vratná a sprevádza ju zmena farby, hovoríme o fenoméne fotochromizmu. Presnejšie zadefinované, fotochromizmus je reverzibilná (vratná) zmena farby zlúčeniny, vyvolaná v jednom alebo v oboch smeroch absorpciou elektromagnetického žiarenia. Molekuly vyznačujúce sa fotochromným správaním preto možno považovať za akýchsi molekulových chameleónov. Keď molekula pohltí svetlo, prepne sa zo stabilnej formy A do menej stabilnej formy B tej istej molekuly. Menej stabilná forma znamená stav s vyššou energiou. Oba stavy sú od seba oddelené akýmsi energetickým kopcom fungujúcim ako bariéra. Súvisí s nestabilným medzistavom, v ktorom staré chemické väzby formy A zanikajú a nové väzby formy B ešte nie sú vytvorené. Po prekonaní menšej energetickej bariéry sa preto očakáva spontánny prechod formy B späť do stavu A. V závislosti od veľkosti tejto bariéry zo strany formy B v základnom stave môže byť spätný návrat na formu A rýchly alebo pomalý. Čím je energetická bariéra vyššia, tým je spätná termická reakcia pomalšia. Výška energetickej bariéry už súvisí s konkrétnou chemickou štruktúrou fotochromnej zlúčeniny. Pri veľmi vysokej energetickej bariére je aj forma B dostatočne stabilná a spätná reakcia nastane len za použitia iného svetelného stimulu. Spätná zmena farebnosti tak môže byť vyvolaná teplom – termicky, vtedy hovoríme o fotochromizme typu T, alebo svetlom inej vlnovej dĺžky – fotochemicky, vtedy hovoríme o fotochromizme typu P. Reakcie zodpovedné za fotochromné správanie sa molekulových chameleónov spadajú do dvoch hlavných kategórii: fotoizomerizácie a fotocyklizácie. Práve vďaka schopnosti vratného prepínania medzi dvomi stavmi sa molekuly vykazujúce fotochromizmus označujú aj ako molekulové fotoprepínače. Na čo je však dobré vedieť meniť farebnosť chemických látok a z nich pripravených materiálov?

Základná schéma fotochromizmu – vratná zmena farby zlúčeniny v dôsledku zmeny rovnováhy medzi dvomi formami A a B tej istej zlúčeniny (E – symbol zmeny energie základného stavu)

Šošovky do okuliarov 

Najviac komerčných fotochromných farbív typu T (spätná zmena farebnosti je vyvolaná teplom) sa v súčasnosti využíva na výrobu fotochromných (fotochromatických) šošoviek do okuliarov, predovšetkým pre vodičov áut a motocyklistov. Princíp fungovania je takýto: pri jasnej oblohe sa pohltením ultrafialového (UV) žiarenia (300 – 400 nm) z bezfarebnej formy A molekulového chameleóna vytvorí málo stabilná forma B, ktorá už absorbuje veľkú časť viditeľného svetla a tak zabraňuje oslepeniu vodiča pri silnom slnečnom svetle. Ak sa obloha zatiahne, nastáva rýchly návrat chameleóna do jeho bezfarebnej formy A. Okrem samotnej redukcie UV žiarenia tak fotochromné šošovky chránia oči vodiča pred nadmerným jasom slnečného svetla a zlepšujú komfort jazdy.

Tetovanie aj pasy 

Fotochromné farbivá a nátery na mnohé substráty sú v súčasnosti komerčnou realitou. Okrem estetického použitia (farbivá do lakov na nechty, tričká a posteľná bielizeň s meniacou sa potlačou podľa intenzity svetla) našla schopnosť meniť farbu oveľa funkčnejšie aplikácie. Takou je napríklad bezpečnostná tlač opticky meniacich sa znakov, ktoré dovoľujú overiť pravosť dokumentov  (fotochromné materiály sa využívajú aj v amerických pasoch). Ďalšie komerčné použitia sa objavujú v kozmetike, kaderníctve, výrobe krémov na opaľovanie, rybárskych vlascoch, patentoch na tetovacie farbivá viditeľné až po expozícii na Slnku a podobne. Fotochromným farbivám typu T sa venuje veľká pozornosť vďaka ich obrovskému potenciálu pre praktické high-tech aplikácie v oblasti optiky a optoelektroniky, ktorá sa javí ako budúcnosť spracovania digitálnych dát (molekulové prepínače a logické obvody, optické 3D pamäte, clony optickej roviny v teleskopoch, počítačom generované hologramy, optická nanolitografia, optická modulácia indexu lomu pre vlnovody v telekomunikáciách).

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 08/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

RNDr. Marek Cigáň, PhD.
Chemický ústav
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave
Mgr. Michaela Reichelová
KVANT, spol. s r.o.

Tento príspevok vznikol s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe APVV-15-0495.

Komentáre