В новой статье, опубликованной в журнале ACS Nano Американского химического общества, исследователи из лаборатории пионера рисовой плазмоники Наоми Халас сообщают об использовании легкодоступной и недорогой молекулы углеводорода, называемой перилен, для создания стекла, которое может окрашивать в два разных цвета при низких напряжениях.«Когда мы помещаем заряды в молекулы или снимаем с них заряды, они меняют цвет от прозрачного до яркого», — сказал Халас, директор Лаборатории нанофотоники (LANP), ведущий научный сотрудник нового исследования и директор Rice’s Smalley- Curl Institute. «Мы зажали эти молекулы между стеклом, и мы можем сделать что-то похожее на окно, но окно меняет цвет на разные типы в зависимости от того, как мы прикладываем очень низкое напряжение».Адам Лаухнер, аспирант по прикладной физике в Райсе и соавтор исследования, сказал, что изменяющее цвет стекло LANP имеет цвета, зависящие от полярности, что означает, что положительное напряжение дает один цвет, а отрицательное напряжение дает другой цвет.«Это довольно романтично, — сказал Лаухнер. «Большинство изменяющих цвет стекла имеют только один цвет, а известные нам многоцветные варианты требуют значительного напряжения».
Стекло, которое меняет цвет под действием приложенного напряжения, известно как «электрохромное», и растет спрос на свето- и теплоизоляционные свойства такого стекла. Прогнозируемый годовой рынок электрохромного стекла в 2020 году оценивается более чем в 2,5 миллиарда долларов.Лаухнер сказал, что на завершение стеклянного проекта ушло почти два года, и он поручил со-ведущему автору Гранту Стеку, исследователю из бакалавриата Райса, разработать проводящий гель на неводной основе, содержащий перилен, который находится между слоями стекла.
«Перилен является частью семейства молекул, известных как полициклические ароматические углеводороды», — сказал Стек. «Они являются довольно распространенным побочным продуктом нефтехимической промышленности и по большей части представляют собой малоценные побочные продукты, а это означает, что они недороги».Есть десятки полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), но каждый содержит кольца из атомов углерода, украшенные атомами водорода. Во многих ПАУ углеродные кольца имеют шесть сторон, как и кольца в графене, широко известном предмете Нобелевской премии по физике 2010 года.
«Это действительно крутое приложение того, что начиналось как фундаментальная наука о плазмонике», — сказал Лаухнер.Плазмон — это волна энергии, ритмичное плескание в море электронов, которые постоянно текут по поверхности проводящих наночастиц. В зависимости от частоты всплесков плазмона он может взаимодействовать с проходящим светом и собирать энергию от него.
В десятках исследований за последние два десятилетия Халас, физик из Райса Питер Нордландер и его коллеги изучали как основы физики плазмонов, так и потенциальные приложения, такие как лечение рака, сбор солнечной энергии, электронные дисплеи и оптические вычисления.Типичная плазмонная наночастица — металлическая, часто сделанная из золота или серебра, и имеет точную форму. Например, золотые нанооболочки, которые Халас изобрел в Райсе в 1990-х годах, состоят из непроводящего сердечника, покрытого тонкой золотой оболочкой.
«Наша группа изучает многие виды металлических наночастиц, но графен также является проводящим, и мы исследовали его плазмонные свойства в течение нескольких лет», — сказал Халас.Она отметила, что было обнаружено, что большие листы атомарно тонкого графена поддерживают плазмоны, но они излучают инфракрасный свет, невидимый человеческому глазу.«Исследования показали, что если вы сделаете графен все меньше и меньше, по мере того, как вы переходите к нанолентам, наноточкам и этим маленьким вещам, называемым наноостровками, вы действительно можете приблизить плазмон графена все ближе и ближе к краю видимого режима», — сказал Лаухнер.В 2013 году тогдашний физик Райс Алехандро Манджавакас, научный сотрудник лаборатории Нордландера, показал, что самые маленькие версии графена — ПАУ с несколькими углеродными кольцами — должны производить видимые плазмоны.
Более того, Манджавачас вычислил точные цвета, которые будут испускаться различными типами ПАУ.«Одна из самых интересных вещей заключалась в том, что в отличие от плазмонов в металлах, плазмоны в этих молекулах ПАУ были очень чувствительны к заряду, что предполагало, что очень небольшой электрический заряд будет производить драматические цвета», — сказал Халас.Лаухнер сказал, что этот проект действительно начал развиваться после того, как Стек присоединился к исследовательской группе в 2015 году и создал рецептуру перилена, которую можно было поместить между листами проводящего стекла.В своих экспериментах исследователи обнаружили, что приложения всего 4 вольт было достаточно, чтобы сделать прозрачное окно зеленовато-желтым, а приложение отрицательных 3,5 вольт сделало его синим.
Окна полностью изменили цвет за несколько минут, но Халас сказал, что время перехода можно легко улучшить с помощью дополнительных инженерных решений.Стек сказал, что другое окно команды, которое меняет цвет с прозрачного на черное, было создано позже в рамках проекта.
«Доктор Халас узнал, что одним из основных препятствий в индустрии электрохромных устройств было создание окна, которое могло быть прозрачным в одном состоянии и полностью черным в другом», — сказал Стек. «Мы намеревались это сделать и нашли комбинацию ПАУ, которые не улавливают видимый свет при нулевом напряжении и почти весь видимый свет при низком напряжении».