L'ajout et le retrait d'un électron du pérylène neutre (colonne centrale) produit un anion (à gauche) et un cation (à droite), respectivement, avec différentes structures électroniques (rangée du milieu). Lors de l'excitation avec la lumière visible, l'anion et le cation donnent lieu à deux résonances plasmoniques moléculaires uniques, chacun avec sa propre couleur distincte (rangée du bas). Crédit :Grant Stec/Université Rice
Les dernières recherches sur la nanophotonique de l'Université Rice pourraient élargir la palette de couleurs pour les entreprises du marché en croissance rapide des fenêtres en verre qui changent de couleur en appuyant simplement sur un interrupteur électrique.
Dans un nouvel article de la revue American Chemical Society ACS Nano , des chercheurs du laboratoire de la pionnière de la plasmonique du riz, Naomi Halas, déclarent utiliser un molécule d'hydrocarbure peu coûteuse appelée pérylène pour créer du verre qui peut prendre deux couleurs différentes à basse tension.
« Quand nous mettons des charges sur les molécules ou en retirons des charges, ils passent du clair à une couleur vive, " dit Halas, directeur du Laboratoire de nanophotonique (LANP), scientifique principal de la nouvelle étude et directeur du Rice's Smalley-Curl Institute. "Nous avons pris ces molécules en sandwich entre du verre, et nous sommes capables de faire quelque chose qui ressemble à une fenêtre, mais la fenêtre change en différents types de couleur selon la façon dont nous appliquons une très basse tension."
Adam Lauchner, un étudiant diplômé en physique appliquée à Rice et co-auteur principal de l'étude, ledit verre à changement de couleur de LANP a des couleurs dépendantes de la polarité, ce qui signifie qu'une tension positive produit une couleur et une tension négative produit une couleur différente.
"C'est assez roman, " Lauchner a déclaré. "La plupart des verres à changement de couleur n'ont qu'une seule couleur, et les variétés multicolores que nous connaissons nécessitent une tension importante."
Le verre qui change de couleur avec une tension appliquée est appelé "électrochrome, " et il existe une demande croissante pour les propriétés de blocage de la lumière et de la chaleur de ce verre. Le marché annuel prévu du verre électrochrome en 2020 a été estimé à plus de 2,5 milliards de dollars.
Lauchner a déclaré que le projet de verre a pris près de deux ans pour se terminer, et il a crédité le co-auteur principal Grant Stec, un chercheur de premier cycle de Rice, avec la conception du gel conducteur non aqueux contenant du pérylène qui est pris en sandwich entre des couches de verre.
"Le pérylène fait partie d'une famille de molécules appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques, " Stec a déclaré. "Ils sont un sous-produit assez commun de l'industrie pétrochimique, et pour la plupart ce sont des sous-produits de faible valeur, ce qui signifie qu'ils sont bon marché.
Il existe des dizaines d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), mais chacun contient des anneaux d'atomes de carbone qui sont décorés d'atomes d'hydrogène. Dans de nombreux HAP, les anneaux de carbone ont six côtés, tout comme les anneaux en graphène, le sujet très apprécié du prix Nobel de physique 2010.
Grant Stec et Adam Lauchner du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice ont utilisé une molécule d'hydrocarbure peu coûteuse appelée pérylène pour créer une basse tension, multicolore, verre électrochrome. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"C'est une application vraiment cool de ce qui a commencé comme science fondamentale en plasmonique, " a déclaré Lauchner.
Un plasmon est une vague d'énergie, un ballottement rythmique dans la mer d'électrons qui circulent constamment à la surface des nanoparticules conductrices. Selon la fréquence du ballottement d'un plasmon, il peut interagir avec et récolter l'énergie de la lumière qui passe. Dans des dizaines d'études au cours des deux dernières décennies, Halas, Le physicien du riz Peter Nordlander et ses collègues ont exploré à la fois la physique fondamentale des plasmons et des applications potentielles aussi diverses que le traitement du cancer, captage d'énergie solaire, affichages électroniques et calcul optique.
La nanoparticule plasmonique par excellence est métallique, souvent en or ou en argent, et façonné avec précision. Par exemple, nanocoquilles d'or, qu'Halas a inventé à Rice dans les années 1990, se composent d'un noyau non conducteur recouvert d'une fine couche d'or.
"Notre groupe étudie de nombreux types de nanoparticules métalliques, mais le graphène est aussi conducteur, et nous avons exploré ses propriétés plasmoniques pendant plusieurs années, " dit Halas.
Des chercheurs de l'Université Rice ont démontré un nouveau type de verre qui passe du transparent au noir lorsqu'une basse tension est appliquée. Le verre utilise une combinaison de molécules qui bloquent presque toute la lumière visible lorsqu'elles gagnent chacune un seul électron. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Elle a noté que de grandes feuilles de graphène atomiquement mince ont été trouvées pour soutenir les plasmons, mais ils émettent une lumière infrarouge invisible à l'œil humain.
"Des études ont montré que si vous faites du graphène de plus en plus petit, au fur et à mesure que vous descendez aux nanorubans, les nanopoints et ces petites choses appelées nano-îlots, vous pouvez en fait rapprocher le plasmon du graphène de plus en plus du bord du régime visible, " a déclaré Lauchner.
En 2013, Alejandro Manjavacas, physicien de Rice à l'époque, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Nordlander, ont montré que les plus petites versions du graphène – les HAP avec seulement quelques anneaux de carbone – devraient produire des plasmons visibles. De plus, Manjavacas a calculé les couleurs exactes qui seraient émises par différents types de HAP.
"L'une des choses les plus intéressantes était que contrairement aux plasmons dans les métaux, les plasmons de ces molécules de PAH étaient très sensibles à la charge, qui suggérait qu'une très petite charge électrique produirait des couleurs dramatiques, " dit Halas.
Les étudiants chercheurs Grant Stec (à gauche) et Adam Lauchner (à droite) avec la pionnière de la plasmonique de riz Naomi Halas, directeur du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Lauchner a déclaré que le projet avait vraiment décollé après que Stec a rejoint l'équipe de recherche en 2015 et a créé une formulation de pérylène qui pourrait être prise en sandwich entre des feuilles de verre conducteur.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert qu'appliquer seulement 4 volts était suffisant pour faire virer la fenêtre transparente au jaune verdâtre et qu'appliquer une tension négative de 3,5 volts la rendait bleue. Il a fallu plusieurs minutes pour que les fenêtres changent complètement de couleur, mais Halas a déclaré que le temps de transition pourrait facilement être amélioré avec une ingénierie supplémentaire.
Stec a dit que l'autre fenêtre de l'équipe, qui passe du clair au noir, a été produit plus tard dans le projet.
"Le Dr Halas a appris que l'un des principaux obstacles dans l'industrie des appareils électrochromes était de créer une fenêtre qui pouvait être claire dans un état et complètement noire dans un autre, ", a déclaré Stec. "Nous avons décidé de le faire et avons trouvé une combinaison de HAP qui ne capturaient aucune lumière visible à zéro volt et presque toute la lumière visible à basse tension."
