Un nuevo método para construir "puentes levadizos" entre nanopartículas metálicas puede permitir a los fabricantes de productos electrónicos construir pantallas a todo color utilizando nanopartículas de dispersión de luz que son similares a los materiales dorados que los artesanos medievales usaban para crear vidrieras rojas.

"¿No sería interesante si pudiéramos crear vidrieras de colores que cambiaran de color con solo presionar un interruptor?" dijo Christy Landes, profesor asociado de química en Rice e investigador principal de un nuevo estudio sobre el método del puente levadizo que aparece esta semana en la revista de acceso abierto Avances de la ciencia .

La investigación de Landes y otros expertos del Instituto Smalley-Curl de la Universidad de Rice podría permitir a los ingenieros utilizar técnicas de conmutación eléctrica estándar para construir pantallas de color a partir de pares de nanopartículas que dispersan diferentes colores de luz.

Por siglos, Los fabricantes de vidrieras han aprovechado las propiedades de dispersión de la luz de diminutas nanopartículas de oro para producir vidrio con ricos tonos rojos. Tipos similares de materiales podrían encontrar cada vez más uso en la electrónica moderna a medida que los fabricantes trabajan para hacer más pequeños, Componentes más rápidos y de mayor eficiencia energética que operan a frecuencias ópticas.

Aunque las nanopartículas de metal dispersan luz brillante, Los investigadores han encontrado difícil convencerlos de que produzcan colores dramáticamente diferentes, Landes dijo.

El nuevo método de puente levadizo de Rice para el cambio de color incorpora nanopartículas metálicas que absorben la energía de la luz y la convierten en plasmones. ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de la superficie de una partícula. Cada plasmón dispersa y absorbe una frecuencia de luz característica, e incluso cambios menores en el chapoteo en forma de onda de un plasmón cambian esa frecuencia. Cuanto mayor sea el cambio en la frecuencia plasmónica, cuanto mayor sea la diferencia entre los colores observados.

"Los ingenieros que deseen crear una pantalla a partir de nanopartículas ópticamente activas deben poder cambiar el color, ", Dijo Landes." Ese tipo de conmutación ha resultado muy difícil de lograr con nanopartículas. La gente ha logrado un éxito moderado utilizando varios esquemas de acoplamiento de plasmones en conjuntos de partículas. Sin embargo, lo que hemos mostrado es una variación del mecanismo de acoplamiento en sí, que se puede utilizar para producir grandes cambios de color de forma rápida y reversible ".

Para demostrar el método, Landes y el autor principal del estudio, Chad Byers, una estudiante de posgrado en su laboratorio, pares anclados de nanopartículas de oro a una superficie de vidrio cubierta con óxido de indio y estaño (ITO), el mismo conductor que se utiliza en muchas pantallas de teléfonos inteligentes. Sellando las partículas en una cámara llena con un electrolito de agua salada y un electrodo de plata, Byers y Landes pudieron formar un dispositivo con un circuito completo. Luego demostraron que podían aplicar un pequeño voltaje al ITO para electrochapar plata sobre la superficie de las partículas de oro. En ese proceso, las partículas se recubrieron primero con una fina capa de cloruro de plata. Aplicando posteriormente un voltaje negativo, los investigadores hicieron que se formara un "puente levadizo" de plata conductora. La inversión del voltaje hizo que el puente se retirara.

"Lo mejor de estos puentes químicos es que podemos crearlos y eliminarlos simplemente aplicando o invirtiendo un voltaje, ", Dijo Landes." Este es el primer método hasta ahora demostrado para producir dramáticos, cambios de color reversibles para dispositivos construidos a partir de nanopartículas activadas por luz ".

Byers dijo que su investigación sobre el comportamiento plasmónico de los dímeros de oro comenzó hace unos dos años.

"Estábamos persiguiendo la idea de que podríamos realizar cambios significativos en las propiedades ópticas de partículas individuales simplemente alterando la densidad de carga, ", dijo." La teoría predice que los colores se pueden cambiar simplemente agregando o quitando electrones, y queríamos ver si podíamos hacerlo de forma reversible, simplemente encendiendo o apagando un voltaje ".

Los experimentos funcionaron. El cambio de color fue observado y reversible, pero el cambio de color fue mínimo.

"No iba a entusiasmar a nadie con ningún tipo de aplicación de pantalla intercambiable, ", Dijo Landes.

Pero ella y Byers también notaron que sus resultados diferían de las predicciones teóricas.

Landes dijo que eso se debía a que las predicciones se basaban en el uso de un electrodo inerte hecho de un metal como el paladio que no está sujeto a oxidación. Pero la plata no es inerte. Reacciona fácilmente con el oxígeno del aire o el agua para formar una capa de óxido de plata antiestético. Esta capa oxidante también se puede formar a partir de cloruro de plata, y Landes dijo que eso es lo que estaba ocurriendo cuando se utilizó el contraelectrodo de plata en los primeros experimentos de Byers.

"Era una imperfección que estaba alterando nuestros resultados, pero en lugar de huir de él, decidimos usarlo a nuestro favor, ", Dijo Landes.

La pionera de la plasmónica de arroz y coautora del estudio, Naomi Halas, director del Instituto Smalley-Curl, dijo que la nueva investigación muestra cómo los componentes plasmónicos podrían usarse para producir pantallas de color conmutables electrónicamente.

"Las nanopartículas de oro son particularmente atractivas para fines de exhibición, "dijo Halas, El profesor Stanley C.Moore de Rice de Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería. "Dependiendo de su forma, pueden producir una variedad de colores específicos. También son extremadamente estables, y aunque el oro es caro, se necesita muy poco para producir un color extremadamente brillante ".

Al diseñar, probar y analizar los experimentos de seguimiento sobre dímeros, Landes y Byers se comprometieron con un grupo de expertos en plasmónica de Rice que incluía a Halas, físico e ingeniero Peter Nordlander, el químico Stephan Link la científica de materiales Emilie Ringe y sus estudiantes, así como Paul Mulvaney de la Universidad de Melbourne en Australia.

Juntos, el equipo confirmó la composición y el espaciado de los dímeros y mostró cómo se podían usar puentes levadizos de metal para inducir grandes cambios de color basados ​​en entradas de voltaje.

Nordlander y Hui Zhang, los dos teóricos del grupo, examinó el "acoplamiento plasmónico, "La danza interactiva en la que participan los plasmones cuando están en contacto cercano. Por ejemplo, Se sabe que los dímeros plasmónicos actúan como condensadores activados por luz, e investigaciones anteriores han demostrado que la conexión de dímeros con puentes de nanocables genera un nuevo estado de resonancia conocido como "plasmón de transferencia de carga, "que tiene su propia firma óptica distintiva.

"El puente electroquímico de la brecha entre partículas permite una transición completamente reversible entre dos regímenes de acoplamiento plasmónico, uno capacitivo y el otro conductor, "Dijo Nordlander." El cambio entre estos regímenes es evidente a partir de la evolución dinámica del plasmón de transferencia de carga ".

Halas dijo que el método proporciona a los investigadores plasmónicos una herramienta valiosa para controlar con precisión los espacios entre los dímeros y otras configuraciones plasmónicas multipartículas.

"En un sentido aplicado, El control de la brecha es importante para el desarrollo de dispositivos plasmónicos activos como interruptores y moduladores, pero también es una herramienta importante para los científicos básicos que están llevando a cabo investigaciones impulsadas por la curiosidad en el campo emergente de la plasmónica cuántica ".