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。
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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：
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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，
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