La plastica plasmonica consente la stampa 3D di sensori ottici della Chalmers University of Technology in Svezia

La plastica plasmonica stampata in 3D consente la produzione di sensori ottici su larga scala
 
In un progetto pluriennale, i ricercatori della Chalmers University of Technology hanno sviluppato la plastica plasmonica, un tipo di materiale composito con proprietà ottiche uniche che può essere stampato in 3D. Questa ricerca ha ora prodotto 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.

Plastica plasmonica
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 economici, abbiano un potenziale di upscaling 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 sulla rivista scientifica 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 con sensori, questo tipo di plastica non solo consente la produzione additiva (stampa 3D), nonché la scalabilità nel processo di produzione del materiale, ma ha anche l’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. Lo spostamento di colore a sua volta ti avvisa immediatamente se i livelli diventano troppo alti, il che è essenziale quando hai a che fare con 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 gli strumenti versatili di cui disponiamo nella tecnologia dei polimeri per progettare nuovi sensori di gas o applicazioni nel campo della salute e delle tecnologie indossabili, come altri esempi. Può anche ispirare artisti e stilisti grazie ai suoi colori accattivanti e sintonizzabili.

“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 la creazione di nanoparticelle ed è facile da implementare. All’interno del progetto, abbiamo scelto di applicare la plastica plasmonica ai sensori di idrogeno, ma in realtà solo la nostra immaginazione è il limite per ciò che può essere utilizzato”, afferma Christoph Langhammer.
 
Come funziona la plastica plasmonica
La plastica plasmonica è costituita da un polimero, come il Teflon amorfo o il PMMA (plexiglass), e nanoparticelle colloidali di un metallo distribuite omogeneamente all’interno del polimero. Su scala nanometrica, le particelle metalliche acquisiscono proprietà utili come la capacità di interagire fortemente con la luce. L’effetto di questo è chiamato plasmoni. Le nanoparticelle possono quindi cambiare colore se si verifica un cambiamento nell’ambiente circostante, oppure se cambiano loro stesse, ad esempio attraverso una reazione chimica o assorbendo idrogeno.
Disperdendo le nanoparticelle nel polimero, queste sono protette dall’ambiente circostante perché le molecole più grandi non sono in grado di muoversi attraverso il polimero come le molecole di idrogeno, che sono estremamente piccole. Il polimero funge da filtro molecolare. Ciò significa che un sensore di idrogeno in plastica plasmonica può essere utilizzato in ambienti più esigenti e invecchierà meno. Il polimero consente inoltre di creare facilmente oggetti tridimensionali di dimensioni molto diverse che hanno queste interessanti proprietà plasmoniche.
Questa interazione unica tra il polimero, le nanoparticelle e la luce può essere utilizzata per ottenere effetti personalizzati, potenzialmente in un’ampia gamma di prodotti. Diversi tipi di polimeri e metalli contribuiscono con proprietà diverse al materiale composito, che possono essere adattate alla particolare applicazione.
Maggiori informazioni sulla ricerca
Il progetto di ricerca “Plastic Plasmonics” ha ricevuto un finanziamento di 28,9 milioni di corone svedesi dalla Fondazione svedese per la ricerca strategica e si è concluso nell’estate del 2022.
L’articolo Bulk-Processed Plasmonic Plastic Nanocomposite Materials for Optical Hydrogen Detection , pubblicato su Accounts of Chemical Research il 4 luglio 2023, riporta la ricerca che, tra il 2017 e il 2022, è stata descritta in quasi 40 pubblicazioni diverse.
Gli autori dell’articolo sono Iwan Darmadi, Ida Östergren, Sarah Lerch, Anja Lund, Kasper Moth-Poulsen, Christian Müller e Christoph Langhammer. Gli autori lavorano presso il Dipartimento di Fisica e il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica della Chalmers University of Technology. Al progetto hanno contribuito anche i ricercatori Anders Hellman e Paul Erhart, entrambi del Dipartimento di Fisica, e i loro gruppi di ricerca. Oltre al suo lavoro presso Chalmers, Kasper Moth-Poulsen è attivo anche presso l’Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona, ​​l’Istituto Catalano di Ricerca e Studi Avanzati (ICREA) e il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Universitat Politècnica de Catalunya.