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

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 3D-geprint kunnen worden.

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 uit het hele project zijn nu samengevat in een artikel in Rekeningen van chemisch onderzoek.

3D-geprinte waterstofsensoren

Plasmonsensoren die waterstof kunnen detecteren zijn de doeltoepassing voor dit soort kunststofcomposietmateriaal waar de onderzoekers zich in hun project op hebben gericht. 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.”

“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 de afdeling 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 niveaus wordt het ontvlambaar als het met lucht wordt gemengd”, zegt Christoph Langhammer.

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 afstembare 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 techniek toe te passen. van 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 iets in hun omgeving verandert, of als ze zichzelf veranderen, bijvoorbeeld door een chemische reactie, of door waterstof op te nemen.
• Door de nanodeeltjes in het polymeer te dispergeren, worden ze beschermd tegen de omgeving, omdat grotere moleculen minder goed door het polymeer kunnen bewegen dan 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 gemakkelijk 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 verschillende eigenschappen bij aan het composietmateriaal, die kunnen worden afgestemd op de specifieke toepassing.