I ett flerårigt projekt har forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige utvecklat plasmonisk plast – en typ av kompositmaterial med unika optiska egenskaper som kan 3D-printas. Denna forskning har nu resulterat i 3D-printade optiska vätesensorer som kan spela en viktig roll i övergången till grön energi och industri.
Intresset för nanopartiklar av plasmoniska metaller och deras många olika tillämpningar har vuxit snabbt och har utvecklats över ett brett spektrum under de senaste två decennierna. Det som gör dessa partiklar så speciella är deras förmåga att interagera starkt med ljus. Detta gör dem användbara för ett brett spektrum av tillämpningar:som optiska komponenter för medicinska sensorer och behandlingar, i fotokatalys för att kontrollera kemiska processer och i olika typer av gassensorer.
Chalmersforskarna Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart och Anders Hellman och deras forskarteam samarbetade i sex år i ett forskningsprojekt om plasmonisk plast. När projektet startade användes nanopartiklar av plasmoniska metaller främst på plana ytor och krävde produktion i avancerade renrumslaboratorier.
Forskarnas utgångspunkt var att fråga:tänk om vi kunde producera stora volymer plasmoniska metallnanopartiklar på ett hållbart sätt som skulle göra det möjligt att tillverka tredimensionella plasmoniska objekt? Det var här plasten kom in i bilden. Plastmaterialens egenskaper gör att de kan formas till nästan vilken form som helst, är kostnadseffektiva, har uppskalningspotential och kan 3D-printas.
Och det fungerade. Projektet resulterade i utvecklingen av nya material bestående av en blandning (eller komposit) av en polymer och kolloidala, plasmoniskt aktiva, metallnanopartiklar. Med dessa material kan du 3D-printa föremål med allt från en bråkdel av ett gram upp till flera kilogram i vikt. Några av de viktigaste forskningsresultaten från hela projektet har nu sammanfattats i en artikel i Accounts of Chemical Research .
3D-printade vätgassensorer
Plasmoniska sensorer som kan detektera väte är målapplikationen för den här typen av plastkompositmaterial som forskarna valde att fokusera på i sitt projekt. Genom att göra det har de banat väg för ett helt nytt tillvägagångssätt inom området för optiska sensorer baserade på plasmoner, nämligen att kunna 3D-printa dessa sensorer.
"Det behövs olika typer av sensorer för att påskynda utvecklingen inom medicin, eller användningen av väte som ett alternativt kolfritt bränsle. Samspelet mellan polymeren och nanopartiklarna är nyckelfaktorn när dessa sensorer tillverkas av plasmonisk plast."
"I sensorapplikationer möjliggör den här typen av plast inte bara additiv tillverkning (3D-utskrift), såväl som skalbarhet i materialtillverkningsprocessen, utan har den ytterligare viktiga funktionen att filtrera bort alla molekyler utom de minsta – i vår applikation, dessa är vätemolekylerna vi vill upptäcka. Detta förhindrar sensorn från att deaktiveras med tiden, säger Christoph Langhammer, professor vid institutionen för fysik, som ledde projektet.
"Sensorn är utformad så att metallnanopartiklarna ändrar färg när de kommer i kontakt med väte, eftersom de absorberar gasen som en svamp. Färgskiftningen i sin tur varnar dig direkt om nivåerna blir för höga, vilket är viktigt när du är hanterar vätgas Vid för höga nivåer blir den brandfarlig när den blandas med luft, säger Christoph Langhammer.
Många applikationer möjliga
Även om en minskning av plastanvändningen generellt sett är önskvärd, finns det många avancerade tekniska tillämpningar som endast är möjliga tack vare plastens unika egenskaper. Plasmonisk plast kan nu göra det möjligt att utnyttja polymerteknologins mångsidiga verktygslåda för att designa nya gassensorer, eller applikationer inom hälso- och bärbara teknologier som andra exempel. Det kan till och med inspirera konstnärer och modedesigners på grund av dess tilltalande och avstämbara färger.
"Vi har visat att produktionen av materialet kan skalas upp, att den bygger på miljövänliga och resurseffektiva syntesmetoder för att skapa nanopartiklarna och är lätt att implementera. Inom projektet valde vi att tillämpa plasmoniken. plast till vätesensorer, men i verkligheten är det bara vår fantasi som sätter gränsen för vad den kan användas till, säger Christoph Langhammer.
Mer information: Iwan Darmadi et al, bulkbearbetade plasmoniska nanokompositmaterial av plast för optisk vätedetektion, Redovisningar för kemisk forskning (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182
Journalinformation: Räkenskaper för kemisk forskning
Tillhandahålls av Chalmers tekniska högskola
