Un nuovo metodo per costruire "ponti levatoio" tra nanoparticelle metalliche potrebbe consentire ai produttori di elettronica di costruire display a colori utilizzando nanoparticelle che diffondono la luce che sono simili ai materiali d'oro che gli artigiani medievali usavano per creare il vetro colorato rosso.

"Non sarebbe interessante se potessimo creare finestre di vetro colorato che cambiano colore premendo un interruttore?" disse Christy Landes, professore associato di chimica alla Rice e ricercatore capo su un nuovo studio sul metodo del ponte levatoio che appare questa settimana sulla rivista ad accesso libero Progressi scientifici .

La ricerca di Landes e di altri esperti dello Smalley-Curl Institute della Rice University potrebbe consentire agli ingegneri di utilizzare tecniche di commutazione elettrica standard per costruire display a colori da coppie di nanoparticelle che diffondono diversi colori di luce.

Per secoli, i produttori di vetrate hanno sfruttato le proprietà di diffusione della luce di minuscole nanoparticelle d'oro per produrre vetro con ricchi toni rossi. Tipi simili di materiali potrebbero trovare sempre più impiego nell'elettronica moderna poiché i produttori lavorano per rendere più piccoli, componenti più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico che operano a frequenze ottiche.

Sebbene le nanoparticelle metalliche diffondano luce brillante, i ricercatori hanno trovato difficile convincerli a produrre colori notevolmente diversi, disse Landes.

Il nuovo metodo del ponte levatoio di Rice per il cambio di colore incorpora nanoparticelle metalliche che assorbono l'energia della luce e la convertono in plasmoni, onde di elettroni che scorrono come un fluido sulla superficie di una particella. Ogni plasmone disperde e assorbe una frequenza caratteristica di luce, e anche piccoli cambiamenti nell'onda simile a un'onda di un plasmone spostano quella frequenza. Maggiore è la variazione della frequenza plasmonica, maggiore è la differenza tra i colori osservati.

"Gli ingegneri che sperano di realizzare un display da nanoparticelle otticamente attive devono essere in grado di cambiare il colore, " Landes ha detto. "Questo tipo di commutazione si è rivelato molto difficile da ottenere con le nanoparticelle. Le persone hanno ottenuto un discreto successo utilizzando vari schemi di accoppiamento plasmonico negli assemblaggi di particelle. Quello che abbiamo mostrato però è la variazione del meccanismo di accoppiamento stesso, che può essere utilizzato per produrre enormi cambiamenti di colore sia in modo rapido che reversibile."

Per dimostrare il metodo, Landes e l'autore principale dello studio Chad Byers, uno studente laureato nel suo laboratorio, coppie ancorate di nanoparticelle d'oro a una superficie di vetro ricoperta di ossido di indio e stagno (ITO), lo stesso conduttore utilizzato in molti schermi di smartphone. Sigillando le particelle in una camera riempita con un elettrolita di acqua salata e un elettrodo d'argento, Byers e Landes sono stati in grado di formare un dispositivo con un circuito completo. Hanno quindi dimostrato di poter applicare una piccola tensione all'ITO per placcare l'argento sulla superficie delle particelle d'oro. In quel processo, le particelle sono state prima rivestite con un sottile strato di cloruro d'argento. Applicando successivamente una tensione negativa, i ricercatori hanno causato la formazione di un "ponte levatoio" d'argento conduttivo. L'inversione della tensione ha causato il ritiro del ponte.

"La cosa grandiosa di questi ponti chimici è che possiamo crearli ed eliminarli semplicemente applicando o invertendo una tensione, " Landes ha detto. "Questo è il primo metodo ancora dimostrato di produrre dramma, cambiamenti di colore reversibili per dispositivi costruiti con nanoparticelle attivate dalla luce."

Byers ha affermato che la sua ricerca sul comportamento plasmonico dei dimeri d'oro è iniziata circa due anni fa.

"Stavamo perseguendo l'idea che avremmo potuto apportare cambiamenti significativi nelle proprietà ottiche delle singole particelle semplicemente alterando la densità di carica, " ha detto. "La teoria prevede che i colori possono essere cambiati semplicemente aggiungendo o rimuovendo elettroni, e volevamo vedere se potevamo farlo in modo reversibile, semplicemente accendendo o spegnendo una tensione."

Gli esperimenti hanno funzionato. Il cambiamento di colore è stato osservato e reversibile, ma il cambiamento di colore fu minimo.

"Non avrebbe entusiasmato nessuno per nessun tipo di applicazione di visualizzazione commutabile, " ha detto Landes.

Ma lei e Byers hanno anche notato che i loro risultati differivano dalle previsioni teoriche.

Landes ha affermato che ciò era dovuto al fatto che le previsioni si basavano sull'utilizzo di un elettrodo inerte fatto di un metallo come il palladio che non è soggetto a ossidazione. Ma l'argento non è inerte. Reagisce facilmente con l'ossigeno nell'aria o nell'acqua per formare uno strato di antiestetico ossido d'argento. Questo strato ossidante può anche formarsi da cloruro d'argento, e Landes ha detto che è ciò che stava accadendo quando il controelettrodo d'argento è stato utilizzato nei primi esperimenti di Byers.

"Era un'imperfezione che stava annullando i nostri risultati, ma piuttosto che scappare da esso, abbiamo deciso di usarlo a nostro vantaggio, " ha detto Landes.

Naomi Halas, pioniera della plasmonica del riso e coautrice dello studio, direttore dell'Istituto Smalley-Curl, ha affermato che la nuova ricerca mostra come i componenti plasmonici potrebbero essere utilizzati per produrre display a colori commutabili elettronicamente.

"Le nanoparticelle d'oro sono particolarmente attraenti per scopi espositivi, "disse Halas, Stanley C. Moore, professore di ingegneria elettrica e informatica e professore di chimica della Rice, bioingegneria, fisica e astronomia, e scienza dei materiali e nanoingegneria. "A seconda della loro forma, possono produrre una varietà di colori specifici. Sono inoltre estremamente stabili, e anche se l'oro è costoso, basta davvero poco per produrre un colore estremamente brillante."

Nella progettazione, testare e analizzare gli esperimenti di follow-up sui dimeri, Landes e Byers si sono impegnati con un gruppo di esperti di plasmonica di Rice che includeva Halas, fisico e ingegnere Peter Nordlander, il chimico Stephan Link, la scienziata dei materiali Emilie Ringe e i loro studenti, così come Paul Mulvaney dell'Università di Melbourne in Australia.

Insieme, il team ha confermato la composizione e la spaziatura dei dimeri e ha mostrato come utilizzare i ponti levatoi metallici per indurre grandi variazioni di colore in base agli ingressi di tensione.

Nordlander e Hui Zhang, i due teorici del gruppo, esaminato l'"accoppiamento plasmonico" del dispositivo, " la danza interattiva che i plasmoni intraprendono quando sono in stretto contatto. Ad esempio, è noto che i dimeri plasmonici agiscono come condensatori attivati ​​dalla luce, e ricerche precedenti hanno dimostrato che il collegamento di dimeri con ponti di nanocavi determina un nuovo stato di risonanza noto come "plasmone a trasferimento di carica, " che ha una propria firma ottica distinta.

"Il ponte elettrochimico del gap interparticellare consente una transizione completamente reversibile tra due regimi di accoppiamento plasmonico, uno capacitivo e l'altro conduttivo, "Ha detto Nordlander. "Il passaggio tra questi regimi è evidente dall'evoluzione dinamica del plasmone a trasferimento di carica".

Halas ha affermato che il metodo fornisce ai ricercatori plasmonici uno strumento prezioso per controllare con precisione gli spazi tra dimeri e altre configurazioni plasmoniche multiparticelle.

"In senso applicativo, il controllo del gap è importante per lo sviluppo di dispositivi plasmonici attivi come interruttori e modulatori, ma è anche uno strumento importante per gli scienziati di base che stanno conducendo ricerche guidate dalla curiosità nel campo emergente della plasmonica quantistica".