Zastanawialiście się może kiedyś, jak działają szkła fotochromowe? Oczywiście wiadomo, że jak się w nich wyjdzie na słońce, szkła dość szybko robią się ciemne, a po powrocie do pomieszczenia znowu robią się przezroczyste. Zapewne wiecie, że jest to prawdziwa magia, czyli oczywiście chemia.

Aby uzyskać szkło fotochromowe, stosuje się specjalne domieszki, które są wbudowane w strukturę samego szkła. Są to halogenki srebra, czyli zwykle chlorek lub bromek (AgCl, AgBr). Drugim niezbędnym składnikiem jest chlorek miedzi(I). Kationy srebra Ag⁺ oraz miedzi Cu⁺ wbudowują się w strukturę krzemionki i w zasadzie pozostają nieruchome, podobnie jak aniony Cl^–. Jeśli tak przygotowane szkło wystawione zostanie na światło słoneczne, do pracy ruszają elektrony, które jako niewielkie indywidua chemiczne mogą się względnie swobodnie przemieszczać w strukturze krystalicznej. Światło ultrafioletowe, niosące ze sobą wysoką energię, może wybić elektron z anionu chlorkowego (Cl^–). Tenże elektron następnie może trafić na kation srebra i zredukować go do metalu.

A więc mamy dwie reakcje:

Cl^– → Cl⁰ + e^–

Ag⁺ + e^– → Ag⁰

Jeśli kiedyś mieliście do czynienia z fotografią czarno-białą albo chociaż jej opisem, powinniście od razu skojarzyć te reakcje. W taki bowiem sposób powstaje zaczerniony obraz na kliszy fotograficznej albo na papierze światłoczułym.

Negatyw fotograficzny (czarno-biały)

Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 4.0

Ta czerń to miejsca, w których kation srebrowy został zredukowany do wolnego metalu. Ktoś może spytać: zaraz, a czy srebro to nie jest błyszczący metal? Owszem, jest, ale jeśli wystarczająco się go rozdrobni, to uzyskamy czarny proszek. Tak samo jest z platyną czy irydem, gdy wykorzystujemy je jako katalizatory. I te czarne drobiny srebra w strukturze szkła w efektywny sposób blokują światło słoneczne. Okulary stają się przyciemnione. No dobrze – ale przecież wiadomo, że powstawanie obrazu fotograficznego jest procesem nieodwracalnym. Jak więc można okularom przywrócić przezroczystość?

I tu dochodzi do głosu miedź, metal przejściowy, który może oddać jeden elektron, stając się kationem Cu⁺ (taki jest właśnie w szkle fotochromowym), albo dwa – i wtedy tworzy kation Cu²⁺. W chwili, gdy takie szkło zostanie przeniesione w miejsce ze słabym dostępem światła, zaczyna się magia, czyli chemia. Teraz wolne atomy chloru odbierają elektron od jonu miedzi(I), który przekształca się w kation miedzi(II). Na samym końcu kationy miedzi(II) utleniają wolne srebro do srebra(I), czyli Ag⁺, jednocześnie same redukują się do Cu⁺. No i voilà – wszystko wraca do punktu wyjścia.

Cl⁰ + Cu⁺ → Cl^– + Cu²⁺

Ag⁰ + Cu²⁺ → Ag⁺ + Cu⁺

Cały proces jest idealnie odwracalny, bo mamy znowu jony srebra oraz miedzi(I). Proste, prawda? Chemiczna magia z wykorzystaniem niewidocznych dla oczu ruchliwych elektronów. Bo tylko elektrony poruszają się w sieci krystalicznej, reszta jest zbyt ciężka i za mocno wbudowana w strukturę szkła.

Ciemnienie szkła to proces dość szybki. Zwykle okulary ciemnieją w czasie poniżej minuty. Proces odwrotny jest zdecydowanie wolniejszy (m.in. dlatego, że musi zajść więcej reakcji) – trwa od kilku do nawet do 15 minut.

Warto tu jeszcze dodać, że na procesy chemiczne, które tu zachodzą, spory wpływ ma temperatura. Niestety, im cieplej, tym słabszy jest efekt fotochromowy, a więc okulary nie będą tak ciemne, jak byśmy chcieli. Wynika to z tego, że proces odbarwiania (czyli reakcja powrotna) przyśpiesza ze wzrostem temperatury. Za to w mroźny słoneczny dzień efekt będzie mocny i szybki.

No dobrze, a co z okularami z plastiku? Cóż, tu nie da się w równomierny sposób rozprowadzić chlorku srebra i chlorku miedzi(I). Ale sytuacja nie jest beznadziejna. Znamy już setki związków organicznych wykazujących efekt fotochromowy. Są to m.in. oksazyny albo naftopirany.

Jeden ze związków organicznych, który staje się barwny pod wpływem światła UV, a odbarwia się pod wpływem ciepła. Leuco form to forma bezbarwna, colored form – barwna. Heat = ciepło

źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Technicznie sprawa jest więc dość prosta: przygotowujemy mikrokapsułki, we wnętrzu których znajdują się niewielkie ilości barwnika fotochromowego. Te mikrokapsułki rozmieszczamy równomiernie w poliwęglanie, z którego przygotowuje się soczewki. Gotowe. Tu też reakcję ciemnienia inicjuje światło, a rozjaśniania – ciepło.

Aha, dodam jeszcze ciekawostkę. Możecie to sprawdzić, jeśli macie okulary fotochromowe. Gdy założycie je w trakcie jazdy samochodem, nie uzyskacie dobrego efektu zaciemnienia. Dlaczego tak się dzieje? Cóż, tu do głosu dochodzi czysta fizyka. Szyba samochodowa nie przepuszcza promieni UV, a więc cały opisany mechanizm reakcji nie może zostać uruchomiony. Dlatego podczas prowadzenia auta warto mieć pod ręką zwykłe ciemne okulary.