Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

3D-geprint plasmonisch plastic maakt grootschalige productie van optische sensoren mogelijk

Een filament van het plasmonische plastic. Door de flexibiliteit kan het materiaal in vrijwel elke vorm worden gevormd. In dit specifieke voorbeeld is het filament bedoeld voor gebruik in 3D-printers. Credit:Chalmers/Malin Arnesson

In een meerjarig project hebben onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden plasmonisch plastic ontwikkeld:een soort composietmateriaal met unieke optische eigenschappen dat in 3D kan worden geprint. Dit onderzoek heeft nu geresulteerd in 3D-geprinte optische waterstofsensoren die een belangrijke rol kunnen spelen in de transitie naar groene energie en industrie.



De belangstelling voor plasmonische metaalnanodeeltjes en hun vele verschillende toepassingen is snel gegroeid en heeft zich de afgelopen twintig jaar over een breed spectrum ontwikkeld. Wat deze deeltjes zo speciaal maakt, is hun vermogen om sterk met licht te interageren. Dit maakt ze bruikbaar voor een breed scala aan toepassingen:als optische componenten voor medische sensoren en behandelingen, bij fotokatalyse om chemische processen te controleren, en in verschillende soorten gassensoren.

Plasmonisch plastic

Zes jaar lang werkten Chalmers-onderzoekers Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart en Anders Hellman en hun onderzoeksteams samen aan een onderzoeksproject naar plasmonische plastic. Toen het project begon, werden plasmonische metaalnanodeeltjes voornamelijk op vlakke oppervlakken gebruikt en moesten ze in geavanceerde cleanroomlaboratoria worden geproduceerd.

Het uitgangspunt van de onderzoekers was de vraag:wat als we op een duurzame manier grote hoeveelheden plasmonische metalen nanodeeltjes zouden kunnen produceren, waardoor het mogelijk zou worden om driedimensionale plasmonische objecten te vervaardigen? Hier kwam het plastic in beeld. De eigenschappen van plastic materialen zorgen ervoor dat ze in vrijwel elke vorm kunnen worden gevormd, kosteneffectief zijn, opschalingspotentieel hebben en in 3D kunnen worden geprint.

En het werkte. Het project resulteerde in de ontwikkeling van nieuwe materialen bestaande uit een mix (of composiet) van een polymeer en colloïdale, plasmonisch actieve, metalen nanodeeltjes. Met deze materialen kun je objecten van een fractie van een gram tot enkele kilogrammen 3D-printen. Enkele van de belangrijkste onderzoeksresultaten van het hele project zijn nu samengevat in een artikel in Accounts of Chemical Research .

Een 3D-geprint sensorelement gemaakt van plasmonische kunststof voor gebruik in een optische waterstofsensor. Dit specifieke element bevat nanodeeltjes van het metaal palladium, waardoor het zijn grijze kleur krijgt. Credit:Chalmers/Malin Arnesson

3D-geprinte waterstofsensoren

Plasmonsensoren die waterstof kunnen detecteren zijn de doeltoepassing voor dit soort kunststofcomposietmateriaal waarop de onderzoekers zich in hun project hebben geconcentreerd. Daarmee pionierden ze met een geheel nieuwe aanpak op het gebied van optische sensoren op basis van plasmonen, namelijk het kunnen 3D-printen van deze sensoren.

"Er zijn verschillende soorten sensoren nodig om de ontwikkeling in de geneeskunde te versnellen, of om het gebruik van waterstof als alternatieve koolstofvrije brandstof te versnellen. Het samenspel tussen het polymeer en nanodeeltjes is de sleutelfactor wanneer deze sensoren worden vervaardigd uit plasmonisch plastic." P>

"In sensortoepassingen maakt dit type plastic niet alleen additieve productie (3D-printen) mogelijk, evenals schaalbaarheid in het materiaalproductieproces, maar heeft het ook de belangrijke functie om alle moleculen eruit te filteren, behalve de kleinste. zijn de waterstofmoleculen die we willen detecteren. Dit voorkomt dat de sensor na verloop van tijd wordt gedeactiveerd", zegt Christoph Langhammer, professor aan het Departement Natuurkunde, die het project leidde.

“De sensor is zo ontworpen dat de metalen nanodeeltjes van kleur veranderen als ze in contact komen met waterstof, omdat ze het gas absorberen als een spons. De kleurverschuiving waarschuwt je op zijn beurt meteen als de niveaus te hoog worden, wat essentieel is als je omgaan met waterstofgas. Bij te hoge concentraties wordt het brandbaar als het met lucht gemengd wordt", zegt Christoph Langhammer.

Een 3D-geprint model van de bezienswaardigheid van West-Zweden, de Vinga-vuurtoren. De kleur van het materiaal wordt bepaald door het metaal dat wordt gebruikt voor de nanodeeltjes in het plasmonische plastic, maar ook door hun vorm en grootte. Credit:Chalmers/Malin Arnesson

Veel toepassingen mogelijk

Hoewel een vermindering van het gebruik van kunststoffen in het algemeen wenselijk is, zijn er talloze geavanceerde technische toepassingen die alleen mogelijk zijn dankzij de unieke eigenschappen van kunststoffen. Plasmonische kunststoffen kunnen het nu mogelijk maken om de veelzijdige gereedschapskist van de polymeertechnologie te benutten voor het ontwerpen van nieuwe gassensoren, of toepassingen in de gezondheidszorg en draagbare technologieën, zoals andere voorbeelden. Het kan zelfs kunstenaars en modeontwerpers inspireren vanwege de aantrekkelijke en instelbare kleuren.

“We hebben laten zien dat de productie van het materiaal kan worden opgeschaald, dat het gebaseerd is op milieuvriendelijke en hulpbronnenefficiënte synthesemethoden voor het maken van de nanodeeltjes, en dat het eenvoudig te implementeren is. Binnen het project hebben we ervoor gekozen om de plasmonische methode toe te passen plastic tot waterstofsensoren, maar in werkelijkheid is alleen onze verbeelding de limiet voor waarvoor het kan worden gebruikt", zegt Christoph Langhammer.

Hoe plasmonisch plastic werkt

  • Plasmonisch plastic bestaat uit een polymeer, zoals amorf Teflon of PMMA (plexiglas), en colloïdale nanodeeltjes van een metaal die homogeen verdeeld zijn in het polymeer. Op nanoschaal verwerven de metaaldeeltjes nuttige eigenschappen, zoals het vermogen om sterk met licht te interageren. Het effect hiervan wordt plasmonen genoemd. De nanodeeltjes kunnen dan van kleur veranderen als er een verandering in hun omgeving plaatsvindt, of als ze zichzelf veranderen, bijvoorbeeld door een chemische reactie, of door waterstof te absorberen.
  • Door de nanodeeltjes in het polymeer te verspreiden, worden ze beschermd tegen de omgeving, omdat grotere moleculen niet zo goed door het polymeer kunnen bewegen als waterstofmoleculen, die extreem klein zijn. Het polymeer fungeert als moleculair filter. Dit betekent dat een plasmonische plastic waterstofsensor kan worden gebruikt in veeleisendere omgevingen en minder zal verouderen. Het polymeer maakt het ook mogelijk om eenvoudig driedimensionale objecten van enorm verschillende afmetingen te maken die deze interessante plasmonische eigenschappen hebben.
  • Deze unieke interactie tussen het polymeer, nanodeeltjes en licht kan worden gebruikt om maatwerkeffecten te bereiken, mogelijk in een breed scala aan producten. Verschillende soorten polymeren en metalen dragen bij aan verschillende eigenschappen van het composietmateriaal, die kunnen worden afgestemd op de specifieke toepassing.

Meer informatie: Iwan Darmadi et al., In bulk verwerkte plasmonische plastic nanocomposietmaterialen voor optische waterstofdetectie, Accounts of Chemical Research (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182

Journaalinformatie: Verslagen van chemisch onderzoek

Aangeboden door Chalmers University of Technology




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waar bevindt het DNA zich in een cel?
  2. Omringd door zieke collega's? Je lichaam bereidt zich voor op de strijd
  3. Welke structurele rol spelen fosfolipiden in cellen?
  4. Australisch onderzoek bewijst dat mensen het meest angstaanjagende roofdier van de planeet zijn
  5. Ideeën voor een Sunscreen Science Fair Project
  6. Waarom het de menselijke natuur is om onze instincten te negeren
  7. Vooruitgang bereikt in droge conservering van spermacellen van zoogdieren
  8. Invasieve uitheemse soorten? Is daar geen app voor?
  9. Sporen van historische rendierweide zijn na 100 jaar nog steeds te zien

Wetenschap