Rice Universitys senaste nanofotonikforskning kan utöka färgpaletten för företag på den snabbt växande marknaden för glasfönster som ändrar färg med en elektrisk strömbrytare.

I en ny artikel i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , forskare från laboratoriet för Rice plasmonics pionjären Naomi Halas rapporterar att de använder en lättillgänglig, billig kolvätemolekyl som kallas perylen för att skapa glas som kan ändra två olika färger vid låga spänningar.

"När vi sätter laddningar på molekylerna eller tar bort laddningar från dem, de går från klar till en levande färg, sa Halas, chef för Laboratory for Nanophotonics (LANP), ledande forskare på den nya studien och chef för Rice's Smalley-Curl Institute. "Vi klämde in dessa molekyler mellan glas, och vi kan göra något som ser ut som ett fönster, men fönstret ändras till olika typer av färg beroende på hur vi applicerar en mycket låg spänning."

Adam Lauchner, en doktorand i tillämpad fysik vid Rice och medförfattare till studien, nämnda LANP:s färgskiftande glas har polaritetsberoende färger, vilket innebär att en positiv spänning ger en färg och en negativ spänning ger en annan färg.

"Det är en ganska ny, "Sa Lauchner. "De flesta färgskiftande glas har bara en färg, och de flerfärgade varianterna vi känner till kräver betydande spänning."

Glas som ändrar färg med en pålagd spänning kallas "elektrokrom, " och det finns en växande efterfrågan på de ljus- och värmeblockerande egenskaperna hos sådant glas. Den beräknade årliga marknaden för elektrokromt glas 2020 har uppskattats till mer 2,5 miljarder dollar.

Lauchner sa att glasprojektet tog nästan två år att slutföra, och han krediterade co-lead författaren Grant Stec, en risforskare, med att designa den perylenhaltiga icke-vattenbaserade ledande gelen som är inklämd mellan glasskikten.

"Perylen är en del av en familj av molekyler som kallas polycykliska aromatiska kolväten, " sa Stec. "De är en ganska vanlig biprodukt av den petrokemiska industrin, och för det mesta är de lågvärdiga biprodukter, vilket betyder att de är billiga."

Det finns dussintals polycykliska aromatiska kolväten (PAH), men var och en innehåller ringar av kolatomer som är dekorerade med väteatomer. I många PAH, kolringar har sex sidor, precis som ringarna i grafen, det mycket hyllade ämnet för 2010 års Nobelpris i fysik.

"Det här är en riktigt cool tillämpning av det som började som grundläggande vetenskap inom plasmonik, " sa Lauchner.

En plasmon är en våg av energi, ett rytmiskt skvalp i havet av elektroner som ständigt strömmar över ytan av ledande nanopartiklar. Beroende på frekvensen av en plasmons skvalp, den kan interagera med och skörda energin från passerande ljus. I dussintals studier under de senaste två decennierna, Halas, Risfysikern Peter Nordlander och hans kollegor har utforskat både plasmonernas grundläggande fysik och potentiella tillämpningar så olika som cancerbehandling, insamling av solenergi, elektroniska displayer och optisk beräkning.

Den huvudsakliga plasmoniska nanopartikeln är metallisk, ofta gjorda av guld eller silver, och exakt formad. Till exempel, guld nanoskal, som Halas uppfann på Rice på 1990-talet, består av en icke-ledande kärna som är täckt av ett tunt skal av guld.

"Vår grupp studerar många typer av metalliska nanopartiklar, men grafen är också ledande, och vi har utforskat dess plasmoniska egenskaper i flera år, sa Halas.

Hon noterade att stora ark av atomärt tunna grafen har visat sig stödja plasmoner, men de avger infrarött ljus som är osynligt för det mänskliga ögat.

"Studier har visat att om du gör grafen mindre och mindre, när du går ner till nanoband, nanoprickar och dessa små saker som kallas nanoöar, du kan faktiskt få grafenens plasmon närmare och närmare kanten av den synliga regimen, " sa Lauchner.

Under 2013, dåvarande risfysikern Alejandro Manjavacas, en postdoktor i Nordlanders labb, visade att de minsta versionerna av grafen - PAH med bara några kolringar - borde producera synliga plasmoner. Dessutom, Manjavacas beräknade de exakta färgerna som skulle avges av olika typer av PAH.

"En av de mest intressanta sakerna var att till skillnad från plasmoner i metaller, plasmonerna i dessa PAH-molekyler var mycket känsliga för laddning, som antydde att en mycket liten elektrisk laddning skulle producera dramatiska färger, sa Halas.

Lauchner sa att projektet verkligen tog fart efter att Stec gick med i forskargruppen 2015 och skapade en perylenformulering som kunde läggas in mellan skivor av ledande glas.

I sina experiment, forskarna fann att det var tillräckligt att applicera bara 4 volt för att göra det genomskinliga fönstret gröngult och att använda negativa 3,5 volt gjorde det blått. Det tog flera minuter för fönstren att helt ändra färg, men Halas sa att övergångstiden lätt kunde förbättras med ytterligare ingenjörskonst.

Stec sa att lagets andra fönster, som blir från klar till svart, producerades senare i projektet.

"Dr. Halas fick reda på att ett av de största hindren i industrin för elektrokroma enheter var att göra ett fönster som kunde vara klart i ett tillstånd och helt svart i ett annat, ", sa Stec. "Vi satte oss för att göra det och hittade en kombination av PAH som fångade inget synligt ljus vid noll volt och nästan allt synligt ljus vid låg spänning."