Nanofotonik-teamet skaber lavspænding, flerfarvet, elektrokrom glas

Rice Universitys seneste forskning i nanofotonik kan udvide farvepaletten for virksomheder på det hurtigt voksende marked for glasvinduer, der skifter farve ved at trykke på en elektrisk kontakt.

I et nyt papir i American Chemical Society journal ACS Nano , forskere fra laboratoriet for Rice plasmonics pioner Naomi Halas rapporterer ved hjælp af en let tilgængelig, billigt kulbrintemolekyle kaldet perylen til at skabe glas, der kan skifte to forskellige farver ved lave spændinger.

"Når vi sætter ladninger på molekylerne eller fjerner ladninger fra dem, de går fra klar til en levende farve, " sagde Halas, direktør for Laboratoriet for Nanofotonik (LANP), ledende videnskabsmand på den nye undersøgelse og direktør for Rice's Smalley-Curl Institute. "Vi lagde disse molekyler i klemme mellem glas, og vi er i stand til at lave noget, der ligner et vindue, men vinduet skifter til forskellige typer farve afhængigt af, hvordan vi anvender en meget lav spænding."

Adam Lauchner, en kandidatstuderende i anvendt fysik ved Rice og medforfatter af undersøgelsen, nævnte LANPs farveskiftende glas har polaritetsafhængige farver, hvilket betyder, at en positiv spænding giver én farve, og en negativ spænding giver en anden farve.

"Det er en ret ny, "Sagde Lauchner." Det mest farveændrende glas har kun en farve, og de flerfarvede varianter, vi kender til, kræver betydelig spænding."

Glas, der ændrer farve med en påført spænding, er kendt som "elektrokromisk, " og der er en voksende efterspørgsel efter de lys- og varmeblokerende egenskaber af sådant glas. Det forventede årlige marked for elektrokromt glas i 2020 er blevet anslået til mere 2,5 milliarder dollars.

Lauchner sagde, at glasprojektet tog næsten to år at fuldføre, og han krediterede co-lead forfatter Grant Stec, en Rice bachelor forsker, med at designe den perylenholdige ikke-vandbaserede ledende gel, der er klemt mellem glaslagene.

"Perylen er en del af en familie af molekyler kendt som polycykliske aromatiske kulbrinter, " sagde Stec. "De er et ret almindeligt biprodukt fra den petrokemiske industri, og for det meste er de lavværdibiprodukter, hvilket betyder, at de er billige."

Der er snesevis af polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), men hver indeholder ringe af kulstofatomer, der er dekoreret med brintatomer. I mange PAH'er, kulstofringe har seks sider, ligesom ringene i grafen, det meget berømte emne for 2010 Nobelprisen i fysik.

"Dette er en virkelig cool anvendelse af det, der startede som grundlæggende videnskab i plasmonik, " sagde Lauchner.

En plasmon er en bølge af energi, et rytmisk skvulp i havet af elektroner, der konstant flyder hen over overfladen af ​​ledende nanopartikler. Afhængigt af hyppigheden af ​​en plasmons skvulp, det kan interagere med og høste energien fra lyset. I snesevis af undersøgelser gennem de sidste to årtier, Halas, Risfysiker Peter Nordlander og kolleger har udforsket både den grundlæggende fysik af plasmoner og potentielle anvendelser så forskellige som kræftbehandling, indsamling af solenergi, elektroniske skærme og optisk databehandling.

Den essentielle plasmoniske nanopartikel er metallisk, ofte lavet af guld eller sølv, og præcist formet. For eksempel, guld nanoskaller, som Halas opfandt på Rice i 1990'erne, består af en ikke -ledende kerne, der er dækket af en tynd skal af guld.

"Vores gruppe studerer mange slags metalliske nanopartikler, men grafen er også ledende, og vi har undersøgt dets plasmoniske egenskaber i flere år, " sagde Halas.

Hun bemærkede, at store plader af atomisk tynd grafen har vist sig at understøtte plasmoner, men de udsender infrarødt lys, der er usynligt for det menneskelige øje.

"Undersøgelser har vist, at hvis man gør grafen mindre og mindre, mens du går ned til nanobånd, nanodots og disse små ting kaldet nanoøer, du kan faktisk få grafens plasmon tættere og tættere på kanten af ​​det synlige regime, " sagde Lauchner.

I 2013 daværende risfysiker Alejandro Manjavacas, en postdoc i Nordlanders laboratorium, viste, at de mindste versioner af grafen - PAH'er med kun få kulstofringe - burde producere synlige plasmoner. I øvrigt, Manjavacas beregnede de nøjagtige farver, der ville blive udsendt af forskellige typer PAH'er.

"En af de mest interessante ting var, at i modsætning til plasmoner i metaller, plasmonerne i disse PAH-molekyler var meget følsomme over for ladning, hvilket antydede, at en meget lille elektrisk ladning ville producere dramatiske farver, " sagde Halas.

Lauchner sagde, at projektet virkelig tog fart, efter at Stec sluttede sig til forskerholdet i 2015 og skabte en perylenformulering, der kunne klemmes mellem plader af ledende glas.

I deres eksperimenter, forskerne fandt ud af, at påføring af kun 4 volt var nok til at gøre det klare vindue grønlig-gult og påføring af negative 3,5 volt gjorde det blåt. Det tog flere minutter for vinduerne helt at skifte farve, men Halas sagde, at overgangstiden nemt kunne forbedres med yderligere teknik.

Stec sagde, at holdets andet vindue, som bliver fra klar til sort, blev produceret senere i projektet.

"Dr. Halas erfarede, at en af ​​de største forhindringer i den elektrokromiske enhedsindustri var at lave et vindue, der kunne være klart i én tilstand og helt sort i en anden, " sagde Stec. "Vi satte os for at gøre det og fandt en kombination af PAH'er, der ikke fangede noget synligt lys ved nul volt og næsten alt synligt lys ved lav spænding."