3D-printet plasmonisk plast muliggør produktion af optiske sensorer i stor skala
I et flerårigt projekt har forskere ved Chalmers Tekniske Universitet i Sverige udviklet plasmonisk plast – en type kompositmateriale med unikke optiske egenskaber, der kan 3D-printes. Denne forskning har nu resulteret i 3D-printede optiske brintsensorer, der kan spille en vigtig rolle i overgangen til grøn energi og industri.
Interessen for plasmoniske metalnanopartikler og deres mange forskellige anvendelser er vokset hurtigt og har udviklet sig over et bredt spektrum i løbet af de sidste to årtier. Det, der gør disse partikler så specielle, er deres evne til at interagere stærkt med lys. Dette gør dem anvendelige til en lang række applikationer:som optiske komponenter til medicinske sensorer og behandlinger, i fotokatalyse til styring af kemiske processer og i forskellige typer gassensorer.
Plasmonisk plastik
I seks år har Chalmers-forskerne Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart og Anders Hellman og deres forskerhold samarbejdet i et forskningsprojekt om plasmonisk plast. På det tidspunkt, hvor projektet begyndte, blev plasmoniske metalnanopartikler primært brugt på flade overflader og krævede produktion i avancerede renrumslaboratorier.
Forskernes udgangspunkt var at spørge:hvad nu hvis vi kunne producere store mængder plasmoniske metalnanopartikler på en bæredygtig måde, der ville gøre det muligt at fremstille tredimensionelle plasmoniske objekter? Det var her plastikken kom ind i billedet. Plastmaterialernes egenskaber betyder, at de kan formes til næsten enhver form, er omkostningseffektive, har potentiale for opskalering og kan 3D-printes.
Og det virkede. Projektet resulterede i udviklingen af nye materialer bestående af en blanding (eller komposit) af en polymer og kolloide, plasmonisk aktive, metalnanopartikler. Med disse materialer kan du 3D-printe objekter på alt fra en brøkdel af et gram op til flere kilogram i vægt. Nogle af de vigtigste forskningsresultater fra hele projektet er nu opsummeret i en artikel i Regnskaber for kemisk forskning .
3D-printede brintsensorer
Plasmoniske sensorer, der kan detektere brint, er målapplikationen for denne type plastkompositmateriale, som forskerne valgte at fokusere på i deres projekt. Derved har de været banebrydende for en helt ny tilgang inden for optiske sensorer baseret på plasmoner, nemlig at kunne 3D-printe disse sensorer.
"Forskellige typer sensorer er nødvendige for at fremskynde udviklingen inden for medicin, eller brugen af brint som et alternativt kulfrit brændstof. Samspillet mellem polymeren og nanopartikler er nøglefaktoren, når disse sensorer er fremstillet af plasmonisk plast."
"I sensorapplikationer muliggør denne type plast ikke kun additiv fremstilling (3D-print) såvel som skalerbarhed i materialefremstillingsprocessen, men har den yderligere vigtige funktion at bortfiltrere alle molekyler undtagen de mindste – i vores applikation er disse er de brintmolekyler, vi ønsker at detektere. Dette forhindrer sensoren i at deaktivere over tid," siger Christoph Langhammer, professor ved Institut for Fysik, som har ledet projektet.
"Sensoren er designet, så metalnanopartiklerne skifter farve, når de kommer i kontakt med brint, fordi de absorberer gassen som en svamp. Farveskiftet advarer dig igen med det samme, hvis niveauerne bliver for høje, hvilket er essentielt, når du er beskæftiger sig med brintgas Ved for høje niveauer bliver den brændbar, når den blandes med luft," siger Christoph Langhammer.
Mange applikationer mulige
Mens en reduktion i brugen af plast generelt er ønskelig, er der adskillige avancerede tekniske applikationer, som kun er mulige takket være plastens unikke egenskaber. Plasmonisk plast kan nu gøre det muligt at udnytte polymerteknologiens alsidige værktøjskasse til at designe nye gassensorer eller applikationer inden for sundhed og bærbare teknologier som andre eksempler. Det kan endda inspirere kunstnere og modedesignere på grund af dets tiltalende og justerbare farver.
"Vi har vist, at produktionen af materialet kan skaleres op, at den er baseret på miljøvenlige og ressourceeffektive syntesemetoder til at skabe nanopartiklerne og er nem at implementere. Inden for projektet har vi valgt at anvende plasmonikken. plastik til brint-sensorer, men i virkeligheden er det kun vores fantasi, der sætter grænser for, hvad det kan bruges til," siger Christoph Langhammer.
Sådan virker plasmonisk plastik
- Plasmonisk plast består af en polymer, såsom amorf teflon eller PMMA (plexiglas), og kolloide nanopartikler af et metal, der er homogent fordelt inde i polymeren. På nanoskala får metalpartiklerne nyttige egenskaber såsom evnen til at interagere stærkt med lys. Virkningen af dette kaldes plasmoner. Nanopartiklerne kan så ændre farve, hvis der sker en ændring i deres omgivelser, eller hvis de ændrer sig selv, for eksempel gennem en kemisk reaktion, eller ved at optage brint.
- Ved at sprede nanopartiklerne i polymeren er de beskyttet mod omgivelserne, fordi større molekyler ikke er lige så i stand til at bevæge sig gennem polymeren som brintmolekyler, der er ekstremt små. Polymeren fungerer som molekylært filter. Det betyder, at en plasmonisk plastisk brintsensor kan bruges i mere krævende miljøer og vil ældes mindre. Polymeren gør det også muligt nemt at skabe tredimensionelle objekter af vidt forskellige størrelser, der har disse interessante plasmoniske egenskaber.
- Denne unikke interaktion mellem polymeren, nanopartiklerne og lyset kan bruges til at opnå skræddersyede effekter, potentielt i en lang række produkter. Forskellige typer polymerer og metaller bidrager med forskellige egenskaber til kompositmaterialet, som kan skræddersyes til den specifikke anvendelse.
Flere oplysninger: Iwan Darmadi et al., bulk-forarbejdede plastiske nanokompositmaterialer til optisk hydrogendetektion, Regnskaber for kemisk forskning (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182
Journaloplysninger: Regnskaber for kemisk forskning
Leveret af Chalmers University of Technology
Varme artikler
-
Ny tænd/sluk-funktion for hurtig, følsom, ultra-små teknologierBright-field mikroskopi billede af en VO 2 plan aktuator af chevron-typen. Superposition i falsk farve af spidsen af skytten ved lav og høj temperatur. Bar, 1 μm. Kredit:Osaka University Hvord -
Grafenbaseret aktuatorsværm muliggør programmerbar deformation(a) Skematisk illustration af fremstillingen af mønstret SU-8/GO dobbeltlagsfilm ved hjælp af UV-litografi. (b) Papirmodellen af mønstret SU-8/GO-bånd og dets forudsigelige fugtfølsomme deformatio -
Årtier gammelt mysterium med buckyballs knækkedeEn kunstners repræsentation af vækst i fullerenbur via kulstofabsorption fra omgivende varme gasser. Nogle af burene indeholder lanthanmetalatomer. Kredit:National Science Foundation (Phys.org) -- -
Vævsgravende nanobor gør lige nok skadeKonfokale billeder i høj opløsning viser virkningerne af lysaktiverede molekylære øvelser på celler inde i en orm. Før aktivering, til venstre, de injicerede øvelser forbliver mørke. Til højre, efter
- Hvad opdeles uendeligt i den kvindelige cytokinesis?
- Atomistiske beregninger forudsiger, at borinkorporering øger effektiviteten af lysdioder
- Sporing af eksploderende isrevner på Himalaya-gletsjere
- Forskere skræddersyr E. coli til at omdanne planter til vedvarende kemikalier
- NASA Terra Satellite ser udviklingen af den tropiske storm Maysak
- Er Muriatic Acid det samme som saltsyre?