In un progetto pluriennale, i ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia hanno sviluppato la plastica plasmonica, un tipo di materiale composito con proprietà ottiche uniche che può essere stampato in 3D. Questa ricerca ha ora portato alla realizzazione di sensori ottici di idrogeno stampati in 3D che potrebbero svolgere un ruolo importante nella transizione verso l'energia e l'industria verdi.
L'interesse per le nanoparticelle metalliche plasmoniche e le loro numerose diverse applicazioni è cresciuto rapidamente, sviluppandosi in un ampio spettro negli ultimi due decenni. Ciò che rende queste particelle così speciali è la loro capacità di interagire fortemente con la luce. Ciò li rende utili per un'ampia gamma di applicazioni:come componenti ottici per sensori e trattamenti medici, nella fotocatalisi per controllare i processi chimici e in vari tipi di sensori di gas.
Per sei anni, i ricercatori di Chalmers Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart e Anders Hellman e i loro gruppi di ricerca hanno collaborato a un progetto di ricerca sulla plastica plasmonica. All'inizio del progetto, le nanoparticelle metalliche plasmoniche venivano utilizzate principalmente su superfici piane e richiedevano la produzione in laboratori avanzati con camere bianche.
Il punto di partenza dei ricercatori è stato chiedersi:e se potessimo produrre grandi volumi di nanoparticelle metalliche plasmoniche in modo sostenibile che rendessero possibile la fabbricazione di oggetti plasmonici tridimensionali? È qui che entra in gioco la plastica. Le proprietà dei materiali plastici fanno sì che possano essere modellati in quasi qualsiasi forma, siano convenienti, abbiano un potenziale di miglioramento e possano essere stampati in 3D.
E ha funzionato. Il progetto ha portato allo sviluppo di nuovi materiali costituiti da una miscela (o composito) di un polimero e nanoparticelle metalliche colloidali, plasmonicamente attive. Con questi materiali è possibile stampare in 3D oggetti di peso compreso tra una frazione di grammo e diversi chilogrammi. Alcuni dei risultati di ricerca più importanti dell'intero progetto sono stati ora riassunti in un articolo in Accounts of Chemical Research .
Sensori di idrogeno stampati in 3D
I sensori plasmonici in grado di rilevare l'idrogeno sono l'applicazione target per questo tipo di materiale composito plastico su cui i ricercatori hanno scelto di concentrarsi nel loro progetto. In tal modo, hanno aperto la strada a un approccio completamente nuovo nel campo dei sensori ottici basati sui plasmoni, ovvero la possibilità di stampare in 3D questi sensori.
"Sono necessari diversi tipi di sensori per accelerare lo sviluppo in medicina o l'uso dell'idrogeno come combustibile alternativo privo di carbonio. L'interazione tra il polimero e le nanoparticelle è il fattore chiave quando questi sensori sono fabbricati in plastica plasmonica."
"Nelle applicazioni dei sensori, questo tipo di plastica non solo consente la produzione additiva (stampa 3D), nonché la scalabilità nel processo di produzione del materiale, ma ha l'ulteriore importante funzione di filtrare tutte le molecole tranne quelle più piccole:nella nostra applicazione, queste sono le molecole di idrogeno che vogliamo rilevare. Ciò impedisce al sensore di disattivarsi nel tempo", afferma Christoph Langhammer, professore presso il Dipartimento di Fisica, che ha guidato il progetto.
"Il sensore è progettato in modo che le nanoparticelle metalliche cambino colore quando entrano in contatto con l'idrogeno, perché assorbono il gas come una spugna. Il cambiamento di colore a sua volta ti avvisa immediatamente se i livelli diventano troppo alti, il che è essenziale quando sei si tratta di gas idrogeno A livelli troppo elevati, diventa infiammabile se miscelato con l'aria", afferma Christoph Langhammer.
Molte applicazioni possibili
Anche se in generale è auspicabile una riduzione dell’uso della plastica, esistono numerose applicazioni ingegneristiche avanzate che sono possibili solo grazie alle proprietà uniche della plastica. La plastica plasmonica potrebbe ora consentire di sfruttare la versatile cassetta degli attrezzi della tecnologia dei polimeri per progettare nuovi sensori di gas o applicazioni nel campo della salute e delle tecnologie indossabili, come altri esempi. Potrebbe anche ispirare artisti e stilisti grazie ai suoi colori accattivanti e personalizzabili.
"Abbiamo dimostrato che la produzione del materiale può essere aumentata su larga scala, che si basa su metodi di sintesi rispettosi dell'ambiente ed efficienti in termini di risorse per creare le nanoparticelle ed è facile da implementare. Nell'ambito del progetto, abbiamo scelto di applicare la tecnologia plasmonica plastica ai sensori di idrogeno, ma in realtà solo la nostra immaginazione è il limite per ciò che può essere utilizzato", afferma Christoph Langhammer.
Ulteriori informazioni: Iwan Darmadi et al, Materiali nanocompositi di plastica plasmonica lavorati in serie per il rilevamento ottico dell'idrogeno, Resoconti della ricerca chimica (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182
Informazioni sul giornale: Conti della ricerca chimica
Fornito da Chalmers University of Technology
