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.
(Chemická štruktúra jedného typu komerčných fotochromných farbív typu T – naftopyránov (R1, R2 – substituent))
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?
Autori: RNDr. Marek Cigáň, PhD., Chemický ústav, Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave a Mgr. Michaela Reichelová, KVANT, spol. s r.o.
Tento príspevok vznikol s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe APVV-15-0495.
Foto: autori foto v článku; úvodné foto: Pixabay.com
Uverejnila: VČ
Viac o molekulových chameleónoch, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 08/2018), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.