La última investigación nanofotónica de Rice University podría expandir la paleta de colores para las empresas en el mercado de rápido crecimiento de ventanas de vidrio que cambian de color con solo presionar un interruptor eléctrico.

En un nuevo artículo de la revista American Chemical Society ACS Nano , investigadores del laboratorio de Rice, pionera en plasmónicos, Naomi Halas, informan utilizando un Molécula de hidrocarburo de bajo costo llamada perileno para crear vidrio que puede cambiar de dos colores a bajos voltajes.

"Cuando aplicamos cargas a las moléculas o las eliminamos, pasan de un color claro a uno vivo, "dijo Halas, director del Laboratorio de Nanofotónica (LANP), científico principal del nuevo estudio y director del Instituto Smalley-Curl de Rice. "Colocamos estas moléculas entre vidrio, y podemos hacer algo que parezca una ventana, pero la ventana cambia a diferentes tipos de color dependiendo de cómo apliquemos un voltaje muy bajo ".

Adam Lauchner, estudiante de posgrado en física aplicada en Rice y coautor principal del estudio, dijo que el vidrio que cambia de color de LANP tiene colores dependientes de la polaridad, lo que significa que un voltaje positivo produce un color y un voltaje negativo produce un color diferente.

"Eso es bastante novedoso, "Dijo Lauchner." La mayoría de los vidrios que cambian de color tienen un solo color, y las variedades multicolores que conocemos requieren un voltaje significativo ".

El vidrio que cambia de color con un voltaje aplicado se conoce como "electrocrómico, "y hay una demanda creciente de las propiedades de bloqueo de luz y calor de dicho vidrio. El mercado anual proyectado para vidrio electrocrómico en 2020 se ha estimado en más de $ 2.5 mil millones.

Lauchner dijo que el proyecto de vidrio tardó casi dos años en completarse, y le dio crédito al coautor principal Grant Stec, un investigador de pregrado de Rice, con el diseño del gel conductor no a base de agua que contiene perileno y que se intercala entre las capas de vidrio.

"El perileno es parte de una familia de moléculas conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos, ", Dijo Stec." Son un subproducto bastante común de la industria petroquímica, y en su mayor parte son subproductos de bajo valor, lo que significa que son económicos ".

Hay decenas de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), pero cada uno contiene anillos de átomos de carbono decorados con átomos de hidrógeno. En muchos PAH, los anillos de carbono tienen seis lados, al igual que los anillos de grafeno, el tema muy celebrado del Premio Nobel de Física 2010.

"Esta es una aplicación realmente genial de lo que comenzó como ciencia fundamental en plasmónica, "Dijo Lauchner.

Un plasmón es una onda de energía, un chapoteo rítmico en el mar de electrones que fluyen constantemente a través de la superficie de nanopartículas conductoras. Dependiendo de la frecuencia del chapoteo de un plasmón, puede interactuar y recolectar la energía de la luz que pasa. En docenas de estudios durante las últimas dos décadas, Halas, El físico de Rice, Peter Nordlander, y sus colegas han explorado tanto la física básica de los plasmones como aplicaciones potenciales tan diversas como el tratamiento del cáncer. captación de energía solar, pantallas electrónicas y computación óptica.

La nanopartícula plasmónica por excelencia es metálica, a menudo hechos de oro o plata, y con forma precisa. Por ejemplo, nanoconchas de oro, que Halas inventó en Rice en la década de 1990, consisten en un núcleo no conductor que está cubierto por una fina capa de oro.

"Nuestro grupo estudia muchos tipos de nanopartículas metálicas, pero el grafeno también es conductor, y hemos explorado sus propiedades plasmónicas durante varios años, "Dijo Halas.

Señaló que se han encontrado grandes láminas de grafeno atómicamente delgadas para soportar plasmones, pero emiten luz infrarroja que es invisible para el ojo humano.

"Los estudios han demostrado que si se hace el grafeno cada vez más pequeño, a medida que bajas a las nanocintas, nanodots y estas pequeñas cosas llamadas nanoislands, en realidad, puede acercar el plasmón de grafeno cada vez más al borde del régimen visible, "Dijo Lauchner.

En 2013, el entonces físico de Rice Alejandro Manjavacas, investigador postdoctoral en el laboratorio de Nordlander, demostró que las versiones más pequeñas de grafeno (PAH con pocos anillos de carbono) deberían producir plasmones visibles. Es más, Manjavacas calculó los colores exactos que emitirían los diferentes tipos de HAP.

"Una de las cosas más interesantes fue que, a diferencia de los plasmones en los metales, los plasmones en estas moléculas de PAH eran muy sensibles a la carga, lo que sugirió que una carga eléctrica muy pequeña produciría colores dramáticos, "Dijo Halas.

Lauchner dijo que el proyecto realmente despegó después de que Stec se uniera al equipo de investigación en 2015 y creara una formulación de perileno que podría colocarse entre láminas de vidrio conductor.

En sus experimentos, Los investigadores encontraron que aplicar solo 4 voltios era suficiente para convertir la ventana transparente en amarillo verdoso y aplicar 3,5 voltios negativos la volvía azul. Las ventanas tardaron varios minutos en cambiar de color por completo, pero Halas dijo que el tiempo de transición podría mejorarse fácilmente con ingeniería adicional.

Stec dijo en la otra ventana del equipo, que pasa de claro a negro, fue producido más tarde en el proyecto.

"El Dr. Halas se enteró de que uno de los principales obstáculos en la industria de los dispositivos electrocrómicos era crear una ventana que pudiera ser transparente en un estado y completamente negra en otro. ", Dijo Stec." Nos propusimos hacer eso y encontramos una combinación de PAH que no capturaron luz visible a cero voltios y casi toda la luz visible a bajo voltaje ".