Het nieuwste nanofotonica-onderzoek van Rice University zou het kleurenpalet kunnen uitbreiden voor bedrijven in de snelgroeiende markt voor glazen ramen die van kleur veranderen met een druk op een elektrische schakelaar.

In een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society: ACS Nano , onderzoekers van het laboratorium van Rice plasmonics pionier Naomi Halas rapporteren met behulp van een gemakkelijk beschikbare, goedkope koolwaterstofmolecuul genaamd peryleen om glas te maken dat twee verschillende kleuren kan veranderen bij lage spanningen.

"Als we ladingen op de moleculen plaatsen of er ladingen van verwijderen, ze gaan van helder naar een levendige kleur, " zei Halas, directeur van het Laboratorium voor Nanofotonica (LANP), hoofdwetenschapper van de nieuwe studie en de directeur van Rice's Smalley-Curl Institute. "We hebben deze moleculen tussen glas geklemd, en we kunnen iets maken dat op een raam lijkt, maar het venster verandert in verschillende soorten kleuren, afhankelijk van hoe we een zeer lage spanning toepassen."

Adam Lauchner, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde bij Rice en co-hoofdauteur van de studie, zei dat het van kleur veranderende glas van LANP polariteitsafhankelijke kleuren heeft, wat betekent dat een positieve spanning één kleur produceert en een negatieve spanning een andere kleur.

"Dat is vrij nieuw, Lauchner zei. "Het meeste van kleur veranderende glas heeft maar één kleur, en de veelkleurige variëteiten die we kennen, vereisen een aanzienlijke spanning."

Glas dat van kleur verandert met een aangelegde spanning staat bekend als "elektrochroom, " en er is een groeiende vraag naar de licht- en warmteblokkerende eigenschappen van dergelijk glas. De verwachte jaarlijkse markt voor elektrochroom glas in 2020 wordt geschat op meer dan $ 2,5 miljard.

Lauchner zei dat het glasproject bijna twee jaar in beslag nam, en hij crediteerde mede-hoofdauteur Grant Stec, een Rice undergraduate onderzoeker, met het ontwerpen van de peryleenbevattende niet-op water gebaseerde geleidende gel die tussen glaslagen is ingeklemd.

"Peryleen maakt deel uit van een familie van moleculen die bekend staat als polycyclische aromatische koolwaterstoffen, "Zei Stec. "Ze zijn een vrij algemeen bijproduct van de petrochemische industrie, en voor het grootste deel zijn het bijproducten van lage waarde, wat betekent dat ze goedkoop zijn."

Er zijn tientallen polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), maar elk bevat ringen van koolstofatomen die zijn versierd met waterstofatomen. Bij veel PAK's koolstofringen hebben zes zijden, net als de ringen in grafeen, het veel gevierde onderwerp van de Nobelprijs voor natuurkunde 2010.

"Dit is echt een coole toepassing van wat begon als fundamentele wetenschap in plasmonica, ' zei Lauchner.

Een plasmon is een golf van energie, een ritmisch geklots in de zee van elektronen die constant over het oppervlak van geleidende nanodeeltjes stromen. Afhankelijk van de frequentie van het klotsen van een plasmon, het kan interageren met en de energie van passerend licht oogsten. In tientallen onderzoeken in de afgelopen twee decennia, Hala, Rijstfysicus Peter Nordlander en collega's hebben zowel de basisfysica van plasmonen als mogelijke toepassingen onderzocht die zo divers zijn als de behandeling van kanker, zonne-energie collectie, elektronische displays en optische computers.

Het typische plasmonische nanodeeltje is van metaal, vaak gemaakt van goud of zilver, en precies gevormd. Bijvoorbeeld, gouden nanoschelpen, die Halas in de jaren negentig bij Rice uitvond, bestaan ​​uit een niet-geleidende kern die is bedekt met een dunne schil van goud.

"Onze groep bestudeert vele soorten metalen nanodeeltjes, maar grafeen is ook geleidend, en we hebben de plasmonische eigenschappen ervan een aantal jaren onderzocht, ' zei Halas.

Ze merkte op dat grote vellen atomair dun grafeen zijn gevonden om plasmonen te ondersteunen, maar ze zenden infrarood licht uit dat onzichtbaar is voor het menselijk oog.

"Studies hebben aangetoond dat als je grafeen steeds kleiner maakt, als je afdaalt naar nanolinten, nanodots en deze kleine dingen die nano-eilanden worden genoemd, je kunt het plasmon van grafeen dichter en dichter bij de rand van het zichtbare regime krijgen, ' zei Lauchner.

In 2013, toenmalig rijstfysicus Alejandro Manjavacas, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Nordlander, toonde aan dat de kleinste versies van grafeen - PAK's met slechts een paar koolstofringen - zichtbare plasmonen zouden moeten produceren. Bovendien, Manjavacas berekende de exacte kleuren die door verschillende soorten PAK's zouden worden uitgestoten.

"Een van de meest interessante dingen was dat, in tegenstelling tot plasmonen in metalen, de plasmonen in deze PAK-moleculen waren erg gevoelig voor lading, wat suggereerde dat een zeer kleine elektrische lading dramatische kleuren zou produceren, ' zei Halas.

Lauchner zei dat het project echt van de grond kwam nadat Stec in 2015 bij het onderzoeksteam kwam en een peryleenformulering creëerde die tussen platen geleidend glas kon worden geplaatst.

In hun experimenten, de onderzoekers ontdekten dat het toepassen van slechts 4 volt voldoende was om het heldere venster groengeel te maken en het toepassen van negatieve 3,5 volt maakte het blauw. Het duurde enkele minuten voordat de ramen volledig van kleur veranderden, maar Halas zei dat de overgangstijd gemakkelijk kan worden verbeterd met extra engineering.

Stec zei dat het andere raam van het team, die van helder naar zwart verandert, werd later in het project geproduceerd.

"Dr. Halas leerde dat een van de grootste hindernissen in de industrie van elektrochrome apparaten het maken van een venster was dat in de ene staat helder kon zijn en in een andere volledig zwart, " Zei Stec. "We wilden dat doen en vonden een combinatie van PAK's die geen zichtbaar licht opvingen bij nul volt en bijna al het zichtbare licht bij lage spanning."