L'ultima ricerca sulla nanofotonica della Rice University potrebbe ampliare la tavolozza dei colori per le aziende nel mercato in rapida crescita delle finestre di vetro che cambiano colore al tocco di un interruttore elettrico.

In un nuovo articolo sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , i ricercatori del laboratorio del pioniere della plasmonica di Rice, Naomi Halas, riferiscono di utilizzare un molecola di idrocarburo poco costosa chiamata perilene per creare vetro che può virare due colori diversi a basse tensioni.

"Quando mettiamo cariche sulle molecole o rimuoviamo cariche da esse, passano dal chiaro al colore vivido, "disse Halas, direttore del Laboratorio di Nanofotonica (LANP), scienziato capo del nuovo studio e direttore dello Smalley-Curl Institute di Rice. "Abbiamo inserito queste molecole tra il vetro, e siamo in grado di creare qualcosa che assomigli a una finestra, ma la finestra cambia in diversi tipi di colore a seconda di come applichiamo una tensione molto bassa."

Adam Lauchner, uno studente laureato in fisica applicata alla Rice e co-autore dello studio, ha detto che il vetro cambiacolore di LANP ha colori dipendenti dalla polarità, il che significa che una tensione positiva produce un colore e una tensione negativa produce un colore diverso.

"È un bel romanzo, " Lauchner ha detto. "La maggior parte dei vetri che cambiano colore ha un solo colore, e le varietà multicolori di cui siamo a conoscenza richiedono una tensione significativa".

Il vetro che cambia colore con una tensione applicata è noto come "elettrocromico, " e c'è una crescente domanda per le proprietà di blocco della luce e del calore di tale vetro. Il mercato annuale previsto per il vetro elettrocromico nel 2020 è stato stimato in più di $ 2,5 miliardi.

Lauchner ha affermato che il progetto del vetro ha richiesto quasi due anni per essere completato, e ha accreditato il co-autore principale Grant Stec, un ricercatore universitario di riso, con la progettazione del gel conduttivo non a base d'acqua contenente perilene inserito tra gli strati di vetro.

"Il perilene fa parte di una famiglia di molecole note come idrocarburi policiclici aromatici, "Stec ha detto. "Sono un sottoprodotto abbastanza comune dell'industria petrolchimica, e per la maggior parte sono sottoprodotti di basso valore, il che significa che sono poco costosi."

Esistono dozzine di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), ma ognuno contiene anelli di atomi di carbonio decorati con atomi di idrogeno. In molti PAH, gli anelli di carbonio hanno sei lati, proprio come gli anelli nel grafene, il tema tanto celebrato del Premio Nobel 2010 per la fisica.

"Questa è un'applicazione davvero interessante di quella che è iniziata come scienza fondamentale nella plasmonica, "Ha detto Lauchner.

Un plasmone è un'onda di energia, uno sciabordio ritmico nel mare di elettroni che scorrono costantemente sulla superficie di nanoparticelle conduttive. A seconda della frequenza dello sciabordio di un plasmone, può interagire e raccogliere l'energia dalla luce che passa. In dozzine di studi negli ultimi due decenni, Hala, Il fisico del riso Peter Nordlander e colleghi hanno esplorato sia la fisica di base dei plasmoni che le potenziali applicazioni diverse come il trattamento del cancro, raccolta di energia solare, display elettronici e computer ottici.

La nanoparticella plasmonica per antonomasia è metallica, spesso d'oro o d'argento, e precisamente sagomato. Per esempio, nanoshell d'oro, che Halas ha inventato alla Rice negli anni '90, sono costituiti da un nucleo non conduttore ricoperto da un sottile guscio d'oro.

"Il nostro gruppo studia molti tipi di nanoparticelle metalliche, ma il grafene è anche conduttivo, e abbiamo esplorato le sue proprietà plasmoniche per diversi anni, "ha detto Hala.

Ha notato che sono stati trovati grandi fogli di grafene atomicamente sottile per supportare plasmoni, ma emettono luce infrarossa invisibile all'occhio umano.

"Gli studi hanno dimostrato che se rendi il grafene sempre più piccolo, mentre scendi ai nanonastri, nanodots e queste piccole cose chiamate nanoisole, puoi effettivamente ottenere il plasmone del grafene sempre più vicino al limite del regime visibile, "Ha detto Lauchner.

Nel 2013, l'allora fisico del riso Alejandro Manjavacas, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Nordlander, ha mostrato che le versioni più piccole di grafene, gli IPA con pochi anelli di carbonio, dovrebbero produrre plasmoni visibili. Inoltre, Manjavacas ha calcolato i colori esatti che sarebbero emessi dai diversi tipi di IPA.

"Una delle cose più interessanti è che, a differenza dei plasmoni nei metalli, i plasmoni in queste molecole di PAH erano molto sensibili alla carica, che suggeriva che una carica elettrica molto piccola avrebbe prodotto colori drammatici, "ha detto Hala.

Lauchner ha affermato che il progetto è davvero decollato dopo che Stec si è unito al team di ricerca nel 2015 e ha creato una formulazione di perilene che potrebbe essere inserita tra lastre di vetro conduttivo.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che l'applicazione di soli 4 volt era sufficiente per trasformare la finestra trasparente in giallo verdastro e l'applicazione di 3,5 volt negativi la rendeva blu. Ci sono voluti diversi minuti prima che le finestre cambiassero completamente colore, ma Halas ha affermato che il tempo di transizione potrebbe essere facilmente migliorato con un'ulteriore ingegneria.

Stec ha detto che l'altra finestra della squadra, che da chiaro diventa nero, è stato prodotto successivamente nel progetto.

"Il Dr. Halas ha appreso che uno dei maggiori ostacoli nell'industria dei dispositivi elettrocromici era creare una finestra che potesse essere chiara in uno stato e completamente nera in un altro, "Stec ha detto. "Abbiamo deciso di farlo e abbiamo trovato una combinazione di PAH che non catturava la luce visibile a zero volt e quasi tutta la luce visibile a bassa tensione".