5 有机光致变色材料
光致变色材料的原理和应用
光致变色材料的原理和应用随着科技的不断发展，各种新材料的研究也日益活跃。
其中，光致变色材料是一种十分有意思的材料。
在日常生活中，我们能够接触到的光致变色材料有很多，比如说光敏纸、光变隐形墨水等。
那么，光致变色材料具有哪些特点？它的原理是什么？它有哪些应用呢？今天，就让我们一起来探究一下。
一、什么是光致变色材料？光致变色材料，顾名思义，就是能够因光的照射而发生颜色变化的材料。
一般来说，光致变色材料分为两类：一类是吸收了光能之后，分子间跃迁激发而发生颜色变化；另一类是吸收了光能之后，离子内部电子跃迁而发生颜色变化。
不难发现，香水瓶和指甲油瓶等日常生活中的物品，也常常采用了光致变色材料。
比如说，指甲油的颜色会因为光线的变化而发生变化。
二、光致变色材料的原理1、分子间跃迁一些分子吸收了光能，分子的能级发生变化，此时分子内的电子受到激发，从基态跃迁至激发态，即分子吸收的光能使电子从一个能级上跃迁至另一个能级上。
有时存在一些分子的激发态比较容易解离，解离后分子降至低能量的激发态并发生变色，这就是我们所说的“分子间跃迁”。
2、离子内部电子跃迁一些离子吸收了光能后，离子中的电子发生跃迁，从一个能级上到另一个能级变化。
当电子从高能量状态降至低能量状态时，会放出光子，同时材料的颜色也会因此改变。
这种特性的光致变色材料已经广泛应用于光电显示等领域。
三、光致变色材料的应用1、光致变色材料用于传感器制造现在，传感器已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
而其中的柔性传感器由于其能适应各种不同的环境，因而在现代界面技术应用上也格外广泛。
而光致变色材料便是传感器制造的重要材料之一。
通过设计具有光氧化作用的材料，可以用于测试环境中氧气、氮气等气体的浓度，从而实现环境监测。
2、光致变色材料用于电视显示器制造光致变色材料被广泛应用在电视或显示屏行业的制造过程中。
光的作用可以让屏幕上的像素发生颜色变化，从而让我们看到屏幕上的图像。
而光致变色材料的这种特性正是基于光学原理而发现的。
第3章光致变色与电致变色材料
第3章光致变色与电致变色材料光致变色材料是一种具有可逆性的材料，能够在光照下改变其颜色，而在光照停止后恢复原色。
光致变色材料是一种非常有潜力的功能材料，在光学、信息储存、显示器件等领域具有广泛的应用前景。
光致变色材料主要可以分为有机光致变色材料和无机光致变色材料两类。
有机光致变色材料具有较高的反应速度和光学性能，适用于高速光学信息处理和可见光的显示器件；而无机光致变色材料具有很高的光热转换效率和较长的使用寿命，适用于红外光学信息处理和红外显示器件。
光致变色材料的光笼罩效应是其可逆变色的核心机制。
当光照入射到光致变色材料上时，光子与材料中的反应物发生相互作用，使得材料中的电子跃迁到高能级，从而导致材料的颜色发生变化。
当光照停止时，反应物重新返回低能级，材料的颜色也随之恢复。
电致变色材料是一种能够在电场刺激下改变其颜色的材料。
电致变色材料可以通过改变电场的强度、方向和频率来实现颜色的可控改变。
电致变色材料广泛应用于电光器件、光学信息储存和显示器件等领域。
电致变色材料主要包括液晶材料、聚合物材料和过渡金属氧化物等。
液晶材料具有优良的电光性能和可控性，广泛应用于液晶显示器件中；聚合物材料具有较高的透明度和色泽度，适用于光学信息存储和光学显示器件等领域；过渡金属氧化物具有丰富的电致变色机制和较大的瞬态变色效应，适用于电致变色薄膜和器件制备等领域。
电致变色材料的变色机制主要有离子注入法、氧缺陷法和电场诱导法等。
离子注入法是通过降低或提高材料的电子密度来改变材料的颜色，通常需要在材料中引入外加离子；氧缺陷法是通过改变材料中的氧含量来改变材料的颜色，通常需要在材料中控制氧含量的偏差；电场诱导法是通过改变材料中的电子自旋态来改变材料的颜色，通常需要在材料中施加外加电场。
光致变色与电致变色材料是一种具有巨大应用潜力和市场前景的功能材料。
随着科技的发展和需求的增加，光致变色与电致变色材料将进一步得到研究和发展，为人们的生活和工作提供更加方便和高效的解决方案。
光致变色材料的光学调控特性
光致变色材料的光学调控特性光致变色材料（Photochromic materials）是一类能在光照下发生颜色变化的材料。
这些材料在无光照时呈现一种颜色，而当受到光照或其他外部刺激后，其颜色会发生改变。
这种特性使得光致变色材料得到广泛应用于多个领域，如荧光显示器、智能眼镜以及安全标识等。
本文将探讨光致变色材料的光学调控特性及其应用前景。
首先，光致变色材料的颜色变化是通过分子内的电子或化学键发生结构改变而实现的。
当材料处于电子激发态时，电子跃迁导致分子结构的改变，从而引发颜色的变化。
这种颜色变化是可逆的，即当光照消失或其他外部刺激停止时，光致变色材料会恢复到原始的颜色状态。
这种可逆性使得光致变色材料具有较高的实用性，能够在不同环境下实现颜色调控。
其次，光致变色材料的光学调控特性可以通过调节光照强度、光照时间以及外界温度等因素来实现。
光照强度和光照时间是影响光致变色材料颜色变化的重要因素。
当光照强度较高或光照时间较长时，光致变色材料呈现的颜色会更加明亮和饱和。
而当光照强度较弱或光照时间较短时，颜色会变得较为暗淡。
此外，外界温度也会影响光致变色材料的颜色变化速率和范围。
在较高温度下，颜色变化更加快速，且范围更广。
这些光学调控特性使得光致变色材料能够根据不同需求进行精确的颜色调节。
光致变色材料的应用前景广阔。
其中，最为突出的应用之一是在荧光显示器领域。
由于其可调控的颜色特性，光致变色材料可以用来制备显示器屏幕，使其能够实现高对比度和自适应亮度。
此外，光致变色材料还可用于制备智能眼镜。
智能眼镜通过光致变色材料实现自动调节镜片颜色，能够根据外界光照条件实现太阳镜和普通眼镜的切换。
此外，基于光致变色材料的安全标识也具有广泛应用前景。
这些安全标识可以根据光照条件调节其颜色，使其在不同光照条件下保持高度可见性，提高交通安全和工作场所安全。
除了以上提到的应用领域，光致变色材料还可以在环境监测和光控制中发挥重要作用。
有机电致变色材料的性质及应用研究
有机电致变色材料的性质及应用研究有机电致变色材料是一种能够通过电场改变颜色的物质。
其基本工作原理是通过改变材料分子间电荷或能量状态来改变其吸收和反射光谱，从而产生颜色变化。
有机电致变色材料广泛应用于各种领域，例如智能窗户、光学显示器、太阳能电池等。
本文将从材料的性质、应用领域以及未来发展方向三个角度来探讨有机电致变色材料的性质及应用研究。
一、材料的性质有机电致变色材料一般是由苯环、吡咯烷等的有机小分子或聚合物组成的。
这些材料的最大优点是具有极高的灵敏度和响应速度。
一般来说，电场强度越大，颜色变化越明显，因此这些材料能够响应微弱的电场，这是其他颜色变化材料所不能比拟的。
另外，有机电致变色材料还具有简单制备、低成本和良好可控性等优点，这些优点让它被广泛应用于实际生产中。
除了这些优点，有机电致变色材料还具有很强的耐久性和热稳定性，这保证了它能够长时间保持变色状态。
这一点对它的应用非常重要。
另外，有机电致变色材料还具有可重复变色、透明或半透明等特点。
这些性质让它被广泛用于各种领域。
二、应用领域有机电致变色材料的应用范围非常广泛。
以下是一些比较突出的应用领域：智能窗户传统的智能窗户大多采用电动窗户或半反射电子玻璃方式。
这些方式虽然方便，但成本比较高。
有机电致变色材料因其便宜和低能耗而逐渐取代电动和半反射玻璃窗户。
在没有电场的情况下，有机电致变色材料是半透明的，因此可以通过窗户看到外界景色。
当电场加强时，材料变为不透明状态，从而有效遮蔽室内光线，达到隔热降温的效果。
光学显示器现代电视、电脑和手机屏幕普遍采用液晶显示技术。
液晶面板内部有一个液晶层，可以通过电场来控制其色彩和亮度。
然而，传统液晶显示技术存在着观看角度小，色彩鲜艳度不够等问题。
有机电致变色材料因其灵敏度高、反应速度快等特点能够提高液晶显示器的色彩鲜艳度，同时增加观看角度。
太阳能电池太阳能电池的一个主要问题是在照射光强度变化过程中，电池输出的电压和电流都会发生变化，从而影响电能输出。
光致变色材料的原理
光致变色材料的原理光致变色材料是一种特殊的材料，其在受到光照射后可以发生颜色的改变。
这种材料广泛应用于各个领域，如光学器件、传感器、显示屏等。
那么，光致变色材料的原理是什么呢？本文将介绍光致变色材料的原理以及其应用。
光致变色材料的原理主要涉及两个基本概念，即光激发和分子结构变化。
当光照射到材料表面时，光激发会引发材料内部的能级变化，激发内部分子的电子跃迁。
这种激发状态的电子在发生跃迁后返回基态时，会排放出特定波长的光。
在光致变色材料中，分子结构的变化是导致颜色变化的关键。
当光照射到材料上时，分子结构会发生变化，使得材料的吸收光谱发生了改变。
这一变化可以通过调控材料中的某种基团或分子的构象来实现。
在不同的构象下，材料对光的吸收和反射的波长也会发生变化，进而表现出不同的颜色。
光致变色材料的分子结构设计是实现颜色变化的关键。
通过设计材料的分子结构和成分，可以达到对光照射的响应度、光敏度和变色效果的控制。
一些光致变色材料利用分子结构的变化来改变电子云的分布和晶格结构，从而实现颜色的变化。
在实际应用中，光致变色材料具有广泛的应用前景。
首先，它们可以应用于光学器件中，如光开关和可调光红外滤波器。
其次，光致变色材料还可以用作传感器，用于检测特定的光谱变化。
例如，某些材料对特定波长的光具有高敏感性，当环境中的光照强度变化时，这些材料的颜色也会发生相应的变化，从而实现对环境变化的敏感探测。
此外，光致变色材料还可应用于显示技术领域。
相比传统显示技术，光致变色材料能够实现更加灵活多样的颜色变换。
有些光致变色显示器可以调整颜色饱和度和亮度，以满足用户对显示效果的不同需求。
总结起来，光致变色材料利用光激发和分子结构变化的原理，实现了材料颜色的变化。
通过合理设计材料的分子结构和成分，可以实现对材料颜色变化的控制。
这一技术在光学器件、传感器和显示技术等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，光致变色材料将会有更加广泛的应用。
第六章--有机光致变色材料
Ar OH Ar
OH
脱水
Ar O Ar
B、取代基对变色性能的影响 苯并吡喃的2位苯环上以及萘环上取代基效应，发现
苯环上邻对位取代基以及萘环上5位均对萘并吡喃开环的 最大吸收波长、光稳定的光密度以及褪色速率有较大响。
6.5.2 芳杂环并吡喃
目前为止，主要有氮杂环和氧杂环两类。 芳杂环并吡喃的合成
6.9 光致变色材料的应用
1、光信息存储与光致变色材料 光致变色化合物作为可擦重写光存储材料的研究，如
液晶材料。 2、生物分子活性的光调控
生物大分子的生理活性与特定的空间结构有着密切 的关系，其空间结构的微小变化必将影响到生理活性的 改变。将光致变色化合物连接到生物分子材料上，实现 生物分子的结构和功能的光调控。 3、光致变色超分子
3、俘精酸酐衍生物
O
Y X
O
UV Vis
UV Vis
X，Y＝NH，O，S
O O X O
长波
O Y X O
长波
6.3.3 俘精酸酐的分子结构 与光致变色性能之间的关系
杂化取代不仅可以影响俘精酸酐及其呈色体的吸收 波长和光反应的量子产率，而去影响俘精酸酐及其呈色体 的抗疲劳性和热稳定性。呋喃和噻吩俘精酸酐的呈色体吸 收波长较短，它们的抗疲劳性能相似，但噻吩俘精酸酐的 热稳定性明显优于呋喃俘精酸酐。吡咯俘精酸酐有较高的 光消色量子产率，呈色体具有最长的吸收波长，让而，热 稳定性和抗疲劳性能随结构不同差异较大。吲哚俘精酸酐 热稳定性和抗疲劳性能优越，但光成色的量子产率很低； 双杂原子俘精酸酐的热稳定性和抗疲劳性都较好，但呈色 体的吸收波长较短。如何通过分子设计，合成出各项指标 优异的俘精酸酐是研究之中的关键问题。
6.4 二芳基乙烯类光致变色体系
光致变色材料种类
光致变色材料有很多种类，包括但不限于以下几种：
有机光致变色化合物：螺吡喃是有机光致变色材料中研究和应用最早、最广泛的体系之一，在紫外光照射下，无色螺吡喃结构中的C一O键断裂开环，分子局部发生旋转且与吲哚形成一个共平面的部花青结构而显色，吸收光谱相应红移。
在可见光或热的作用下，开环体又能回复到螺环结构。
此外，还有螺呋喃、二苯基吲哚、二苯基喹唑啉、二苯基吖啶等。
无机光致变色材料：如WO3、MoO3、TiO2等，无机光致变色材料具有稳定性好、成本低等优点，其中WO3通过与ZnO纳米粒子进行复合，可显著提升其光致变色效率。
此外，还有一些其他材料也具有光致变色性能，如水杨醛缩苯胺类化合物、偶氮化合物、稠环芳香化合物、哗嗓类等。
有机光致变色材料
有机光致变色材料有机光致变色材料（Organic photochromic materials）是一类能够在受到特定波长的光照射下发生颜色变化的有机化合物。
这些材料具有可以通过光照射而发生可逆的光化学反应的特点，可以在吸收光能的作用下从无色或淡色状态变为强烈吸收光的有色状态，并且在不再受到照射的情况下逐渐返回原来的无色或淡色状态。
这种可逆性能使得有机光致变色材料在很多领域有着广泛的应用。
有机光致变色材料的研究起源于19世纪，当时人们发现一些有机化物在受到紫外光照射后能够发生颜色变化。
但是由于当时科学技术的限制，这些材料的应用受到了很大的局限性。
随着科学技术的发展，特别是化学合成技术的进步，有机光致变色材料的研究和应用逐渐得到了推广和发展。
有机光致变色材料的研究主要集中在以下几个方面：基于光致变色效应的应用技术开发、有机光致变色材料的合成方法以及材料性质的研究。
这些研究不仅为有机光致变色材料的应用提供了技术支持，还为未来有机光致变色材料的开发和应用奠定了基础。
目前，有机光致变色材料已经在多种领域得到了应用，比如信息存储、抗假冒、光开关等。
在光开关方面，有机光致变色材料的应用也十分广泛。
由于有机光致变色材料具有快速的可逆光切换性能，可以对光的传输和传播进行精确控制。
这使得它们在光电子学和光通信领域有着很大的潜力。
比如，有机光致变色材料可以作为光调制器和光开关的工作元件，对光信号进行调制和开关控制。
此外，有机光致变色材料还可用于光调谐滤波器、光重构器等光学器件的制造。
在有机光致变色材料的合成方法研究方面，目前有机光致变色材料的合成方法比较多样。
常见的有光解反应、电解反应等。
此外，还可以通过将不同的有机光致变色材料进行复合，改变它们的化学结构、构型和能级结构等，从而实现对有机光致变色材料性质的调控和优化。
总之，有机光致变色材料是一类具有可逆的光致变色性能的有机化合物。
它们在信息存储、抗假冒和光开关等领域有着广泛的应用。
光致变色材料变色机理
光致变色材料变色机理光致变色材料（photochromic materials）是一种特殊的功能性材料，它可以在受到光照后发生颜色变化。
光致变色材料广泛应用于光学领域、电子显示器、光敏材料等领域。
光致变色材料的变色机理是通过光激发引起分子结构的变化，从而改变材料的吸收光谱和反射光谱。
光致变色材料的变色机理主要涉及两个过程：光激发和结构变化。
当光致变色材料受到光照时，光子的能量被吸收，使材料中的分子发生激发态跃迁。
这个过程是通过分子内部电子的激发和跃迁来实现的。
在激发态下，分子的电子能级结构发生变化，使得材料的吸收光谱和反射光谱发生变化，从而引起颜色的变化。
在光激发过程中，光致变色材料的分子结构发生了变化，这是光致变色的基础。
光致变色材料中常见的机理有分子内转位、电荷转移和分子间转位等。
其中，分子内转位是最常见的机理。
分子内转位是指分子内部的某个原子或基团发生位置的变化，从而引起分子整体结构的变化。
这种结构变化会导致分子的吸收光谱和反射光谱发生变化，从而使材料的颜色发生变化。
光致变色材料的变色机理还与分子的共振结构有关。
共振结构是指分子的共轭体系和其他共振效应。
共轭体系是指一系列相邻的双键或多键的存在，从而形成一个共轭体系。
共轭体系可以使分子的π电子发生共振，从而改变分子的电子能级结构和光学性质。
光致变色材料中的共振结构可以通过激发光的吸收和运动来改变，从而引起颜色的变化。
除了共振结构，光致变色材料的变色机理还与分子的键长、键角和环境等因素有关。
这些因素可以影响材料的电子能级结构和分子的运动性质，从而使材料的吸收光谱和反射光谱发生变化。
因此，光致变色材料的变色机理是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素的影响。
总结起来，光致变色材料的变色机理是通过光激发引起分子结构的变化，从而改变材料的吸收光谱和反射光谱。
这一过程涉及到光激发和结构变化两个方面，其中结构变化又受到分子的共振结构、键长、键角和环境等因素的影响。
光致变色材料
变色机理
3.六苯基双咪唑
六苯基双咪唑分子经过 hυ1的光照射会发生键的均裂，伴随着有色三苯基咪唑自由 基的生成，该反应是可逆的，同样经 hυ2光照射后自由基再结合回复到六苯基双咪唑分 子。
六苯基双咪唑的可逆光致变色过程
三苯基咪唑自由基的活泼性质使其极易结合空气中的氧，因此大大降低了该光致变色 材料的循环次数。
稠环芳香化合物经波长为 hυ1的光照射时，由于氧的作用导致稠环内形成过氧桥， 打断了其大的共轭体系使吸收波长发生蓝移，经 hυ2的光照射又回复到原来结构，两者 的吸收光谱不同，光致变色由加氧-脱氧过程来完成。
芳香稠环化合物的光致变色反应
该变色体系的优点是热稳定性好，但其较差的溶解性导致了在器件制备应用中困难重 重。
光致变色材料
Photochromic Material
目 录/contents
1.材料简介 2.材料分类 3.变色机理 4.材料应用
第一章
材 料简 介
材料简介
光致变色原理
光致变色（Photochromism）定义为：化合物A与B互为 异构体，化合物A受到波长为hυ1的光照射时，其进行特 定的光化学反应生成化合物B，此过程中由于其结构发 生变化致使吸收光谱及折射率都发生明显改变；而经过 另一波长hυ2的光照射或经过热作用，产物B又能回复到 A的形式，即某一物质在两种状态之间的可逆变化，A与 B对光的吸收明显不同（颜色也不相同）。
偶氮苯类化合物的光致变色过程
偶氮苯化合物一直是染料工业领域的重要着色剂，主要归功于它色彩艳丽、价格低 廉、性质稳定等优异特性。含偶氮基元（N = N）材料的独特光响应性使它们在以下领 域发挥着巨大的作用：作为存储介质用于光盘数据存储、光学转换和图像存储、自组 装单层膜系统、彩色照相影像染料漂白以及全息照相等高科技领域。
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一、绪论应用有机化学在外界激发源的作用下，一种物质或一个体系 发生颜色明显变化的现象称为变色性。
有机光致变色 光致变色材料 第五章 有机光致变色材料光致变色(photochromism)： 光致变色分子能够可逆地在两种不同吸收光谱的状态之间的转化， 光致变色是指一种化合物A受到一定波长的光照射时，可 光致变色 发生光化学反应得到产物B，A和B的颜色（即对光的吸收）明 显不同。
B在另外一束光的照射下或经加热又可恢复到原来的 形式A。
光致变色是一种可逆的化学反应，这是一个重要的判 断标准。
至少有一个反应是光激发的。
当然，两种不同的形态不仅是它 们的吸收光谱不同，也可以是其它参数如氧化还原电位、电介 质常数等的不同。
在光作用下发生的不可逆反应，也可导致颜色的变化，只 属于一般的光化学范畴，而不属于光致变色范畴。
将光致变色色素加入透明树脂中，制成光变色材料，可以 用于太阳眼镜片，国内在变色眼镜方面已开始应用。
将光致变 光致变色的材料早在1867年就有所报道，但直至1956年 Hirshberg提出光致变色材料应用于光记录存储的可能性之 后，才引起了广泛的注意。
研究光致变色材料最多的国家是 美 国 、 日 本 、 法 国 等 ， 日 本在 民用 行 业 上开 发比 较 早。
色色素与高聚物连接在一起，可以制成具有光变色性能的材 料，在光电技术和光控装置中很有应用前景。
用光致变色材料 可以做成透明塑料薄膜，贴到或嵌入汽车玻璃或窗玻璃上，日 光照射马上变色，使日光不刺眼，保护视力，保证安全，并可 起到调节室内和汽车内温度的作用；还可以溶人或混入塑料薄 膜中，用作农业大棚农膜，增加农产品、蔬菜、水果等的产 量。
另一个重要的用途是用作军事上的隐蔽材料，例如军事人 员的服装和战斗武器的外罩等。
1近年来，将光致变色材料用于光信息存储、光调控、光 开关、光学器件材料、光信息基因材料、修饰基因芯片材料 等领域受到全球范围内的广泛关注。
我国研究者利用新型热 稳定螺噁嗪类材料进行可擦除高密度光学信息存储研究方面 取得新进展。
他们设计合成了一种具有良好开环体热稳定性 的新型螺噁嗪分子SOFC。
这类新型光致变色材料用于信息存 储表现出良好的稳定性，而且可以进行信息的反复写入和擦 除，并可应用于基于双光子技术的多层三维高密度光学信息 存储，表现出很强的应用前景。
分子器件有光、电、离子、磁、热、力学和化学反应性能的单个 分子或少量分子组装排列而成的有序结构，是在分子层次上 完成信息和能量的监测、转换、传输、存储与处理等功能的 化学及物理系统。
简单地说，分子器件就是在分子水平上具 有特定功能的超微型器件。
微电子器件的极限：电子学的发展对人类社会起到了极大的推动作用，特别 是计算机出现以后，微电子器件被应用于人类社会各个领域。
研制体积小、 信息容量大、反应迅速的电子器件是发展计算机及信息处理技术的关键，然 而传统硅基器件由于原理性的物理极限、技术性的工艺极限使电子器件的尺 寸不能无限制地减小。
分子器件的特点： 分子电子学采用“自下而上”(bottom up)的思路，即直接从分子角度出 发，利用化学方法合成具有一定功能的分子，再通过自组装的 方法使其与周围环境相耦合，从而得到分子尺度的器件。
寻找 和发展新型微电子器件、促使逻辑运算单元和存储单元的进一 步微型化、开发能够快速地处理大量信息的纳米器件： 分子开关、分子计算机、细胞自动化元件和生物计算机到 2000 年为止，凡是无机半导体所具有的功能都能在分子水平上找到 相应的器件，如分子整流器(molecular rectifiers)、分子晶体管(molecular transistors)、分子开关(molecular switches)、分子二极管(molecular diodes) 等。
2001 年，分子电子学的研究取得了重大突破，科学家们将单个分子器件 连接起来，构成了具有逻辑功能和运算功能的“分子电路”。
与普通的计算机系统相比较，由分子器件构成的系统除了上述的尺寸优势之 外，它还可以减少电子在不同部件之间的传导时间，从而大大地提高机器的 运算速度。
分子器件的优点是尺寸极小、材料来源丰富、容易制备。
①比 Si 芯片小 1000 倍的分子芯片，元件数量将增加 100 倍； ②运算和信息处理速度将明显增加，而成本几乎没有增加； ③分子尺度电路的高密度可以实现计算机的极高速度的数据处 理和运算能力，制造出超级计算机。
① 应含有光、电或离子活性功能基； ② 必须能按特定需要组装成组件，大量的组件有序排列能形 成信息处理的超分子体系； ③ 输出信号必须易于检测。
分子器件应具备的条件：2二、分子开关分子开关的触发条件有：能量和电子转移、质子转移、构象变化、酸碱反应、氧所谓分子开关就是具有双稳态的量子化体系。
当外界 光、电、热、磁、酸碱度等条件发生变化时，分子的形状、 化学键的生成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化。
通 过这些几何和化学的变化，能实现信息传输的开关功能。
化还原反应、光致变色和超分子自组装等。
根据检测手段和触发条件不同，可以把分子开关分为以 下几类：激光超快开关、光致变色开关、荧光开关、电化学 开关、磁性开关、手性开关和超分子开关等。
对分子开关的基本要求：开关是双稳定的，一种分子的两种构型能在外加能量 下发生改变。
任何有两种稳定状态的材料或者器件，如果 能从一种状态变成另外一种状态，并且这种状态是保持不 变且是可分离独自存在的，在原则上都能称之为分子开 关。
对光反应变色的化合物作为分子开关的要求如下：(1) 在两种构型之间的光化学开关变化是可行的。
(2) 在一个大的温度范围内(例如：-20 ºC－80 ºC)没有热的相 互转变导致的异构化。
(3) 异构体应该有抗疲劳性，应能够反复循环多次，两种构型 的热和光化学降解都是不允许的。
(4) 两种状态都能被快速的检测到(对于光存储部件来说)。
三、光致变色体系(5) 无损的读出过程。
读出过程不应该与写入过程发生冲突或 改变写入的数据(对于光存储部件来说)。
(6) 高的量子产率，提供有效的开关过程并且避免长的照射时 间。
(7) 如果开关化合物引入到一个大分子结构，它还能保持本身 的性质。
光激发导致从一个稳定的异构体 A 到一个高能量的异构体 B 的开关过程，B 只要克服或低或高的能垒就转变为 A。
光致变色系统中相互转化的物质是其异构体，光反应只是 简单的导致分子中电子和核结构的简单重排，3根据光致异构体的热稳定性，光致变色化合物可分为两类： 光致变色是动力学控制的： ① T 类型(热可逆类型)即热可使光致异构体变回原来的状光化学过程完成后(用激光，千万分之一秒)，将会发生 自发的反向反应。
然而，不同的系统这种反应可快可慢。
有 时，这种光致变色化合物是动力学惰性的，需要用第二束的 光照引发可逆反应。
态； ② P类型(光化学可逆类型)即光致异构体不会在升温的状态 下变回原来的状态。
对于后一类化合物，两个异构体的吸收带不能重叠。
四、光致变色分子开关的类型(a)二噻吩乙烯；T 型化合物 为已知的大多数光致变色化合物，二芳烯、俘精酸酐、螺 吡喃、偶氮苯、双氢噁唑啉和 2-苯基苯并(喃) 化合物。
(b)俘精酸酐； (c)螺吡喃； (d)偶单苯； (e)双氢噁唑啉； (f)2-苯基苯并(喃)化合物P 型化合物只有两种化合物：俘精酸酐衍生物和二芳烯衍生物。
按光化学反应机制分为：1 顺反异构机制 (1) 偶氮苯衍生物1983年提出：利用偶氮聚合物在光异构时产生的双折射 或双色性能用作光存贮材料，随后化学研究人员合成了大量 不同新型分子结构的偶氮聚合物，提出了在偶氮基两侧采用 吸电子-供电子分子结构以提供材料本身的偶极性，从而达到 提高偶氮聚合物的光响应速度；或是提高聚合物的玻璃化温 度(如聚酰亚胺材料) 以提高材料的热稳定性能。
1937 年发现光对偶氮苯中N=N 键的构型产生影响：在300nm 波长光照射下，偶氮苯发生反式向顺式转变，发生异构化时最大 吸收光波长随苯环上的取代基的不同而不同。
偶氮苯衍生物的顺式结构的热稳定性不如反式结构，在受热或 >380 nm 的光照射时会发生顺式向反式转化。
形式：将偶氮苯衍生物溶解于聚合物形成主体/客体体系，或通过键合作用 直接将其接在高分子链上。
因偶氮苯衍生物在聚合物中的溶解度有限，故 对后一种方法研究相当多。
根据偶氮苯衍生物在聚合物中的位置不同，又 可将这种键合体系分为侧链、主链及链端偶氮聚合。
4(2) 1, 2-二苯乙烯衍生物 二苯乙烯衍生物顺式异构体(1Z) 在光照下会发生光环化反应生成二氢菲 (1H)，二氢菲(1H)不稳定，容易氧化脱氢生成稳定的菲(1F)。
因1,2-二苯乙烯衍生物在发生顺反异构的同时存在不必要的副反应，从而限制了它 在可逆的光分子开中关的应用。
若用其它基团取代容易脱去的二个氢，利用光环 化反应这一性质也可作为分子光开关材料。
2 光环化机制(1) 螺吡喃螺吡喃的光致变色行为是基于无色闭环的螺吡喃结构(a)与有 色开环的部花青结构(b)之间可逆的转化。
在紫外光照射下，螺吡 喃发生C-O 键断裂生成部花青形态；在可见光照射下或受热时，部 花青发生闭环反应生成螺环结构，C-O键的断裂处在皮秒时域，因 此对光的响应速度快。
ab螺吡喃的光致变色行为开环后的部花青的结构存在N+与O-两性离子结构，为了 提高这种结构的稳定程度，在N+引入供电子的烷基及在O-的 对位或邻位引入吸电子的硝基或氰基等。
研究结果表明，这 些改型的分子结构有利于提高部花青结构的热稳定性，同时 还可增加光色反应的量子效率。
(2) 俘精酸酐俘精酸酐的光致变色现象是由其分子内化学键重排所引起。
俘精酸酐衍生物具有良好的热稳定性能和抗疲劳性能，室温下的 循环寿命高达104次数以上。
俘精酸酐的双稳态是基于1, 3, 5-己三 烯的顺旋环化而形成。
在紫外光照射时，一般为无色的俘精酸酐 转化为有色的二氢嗪烯结构；在可见光照射下又可逆地生成俘精 酸酐开环结构。
改型的螺吡喃衍生物(3) 二芳基烯含杂环的二芳基烯是一类新型的热稳定性及抗疲劳性好 的光分子开关材料。
这类物质即使在 300 ºC 也不发生热致变 色现象，有色态在 80 ºC 存放三个月也不褪色，而且生色与 褪色循环次数达 104次以上。
引入烷基代替氢可避免副产品1F的生成； 引入杂环如呋 喃、噻吩或吡咯代替苯环可以使二芳基烯衍生物的热稳定性 能很大地得到提高；引入环酸酐可以阻止二芳基烯的顺反异 构反应的发生。
5五、偶氮苯的应用偶氮苯作为染料有着非常重要的作用，近由于偶氮苯光 驱动可逆顺反异构变化的性质引起了广泛的兴趣。