Geometria che guida l’elettrochimica: come i pattern superficiali degli elettrodi FFF migliorano la deposizione di oro e il sensing

 
Un gruppo dell’University of Brighton dimostra che scala e motivo della superficie di elettrodi stampati in 3D (CB/PLA, FFF) controllano la distribuzione di nanoparticelle d’oro e, a valle, la sensibilità del sensore. La validazione arriva dal rilevamento del nitrito in campioni fecali murini, con differenze significative tra 12 e 24 mesi.  

La stampa FFF con filamenti conduttivi ha aperto la porta a elettrodi personalizzati per sensori elettrochimici a basso costo. Rimane però un ostacolo: l’alta resistenza di contatto del composito (grafite/nera di carbonio in PLA) penalizza la conduzione. Una strategia nota per “attivare” la superficie è rivestirla con nanoparticelle d’oro (AuNP). Lo studio pubblicato su Electrochimica Acta mostra che non basta depositare AuNP: la geometria della superficie dell’elettrodo, definita in stampa, determina come l’oro si distribuisce e quanto migliorano le prestazioni.  

Gli elettrodi FFF in CB/PLA sono economici e progettabili, ma il contatto elettrico tra domini conduttivi non è ottimale; per questo si usano trattamenti chimici o rivestimenti metallici. Le AuNP sono una scelta ricorrente per biocompatibilità e conduttività, ma finora il legame tra micro‑geometria stampata e morfologia del deposito d’oro non era stato chiarito in modo sistematico. Il lavoro di Brighton indaga proprio come il pattern superficiale alteri bagnabilità, distribuzione di AuNP e trasferimento di carica.  

Gli autori stampano elettrodi (FFF) in CB/PLA con sei configurazioni: tre motivi superficiali (knurl, revolve, straight) ciascuno a due scale (passo 0,8 mm e 1,6 mm). Dopo la elettrodeposizione di AuNP, caratterizzano morfologia (SEM), angolo di contatto e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Il risultato chiave: pattern e scala influenzano dove e quanto oro si accumula; questa diversa micro‑distribuzione si riflette in variazioni misurabili della resistenza al trasferimento di carica e delle correnti di prova.  

Dettagli tecnici

• Materiali e stampa. Elettrodi FFF in CB/PLA commerciale (3DFilaPrint), stampati con Flashforge Creator Pro; le geometrie superficiali sono ottenute già in fase di slicing/modellazione, senza lavorazioni post‑stampa.  

• Pattern e scale. Sei varianti: knurl, revolve, straight a 0,8 mm e 1,6 mm. L’elettrodeposizione di AuNP è effettuata da soluzione, con controllo del potenziale/corrente per ottenere film discontinui di nanoparticelle.  

• Morfologia del deposito. Il knurl a scala grande (1,6 mm) tende a favorire l’accumulo denso di AuNP su spigoli e rilievi, aumentando localmente l’area elettro‑attiva; pattern più piatti e fitti (scala 0,8 mm) portano a una copertura più uniforme ma più sottile.  

• Bagnabilità e impedenza. Dopo la deposizione d’oro l’angolo di contatto diminuisce (superficie più idrofila), e l’EIS mostra una riduzione della resistenza di trasferimento di carica, coerente con conduttività superficiale migliore. 

• Validazione applicativa. La variante knurl 1,6 mm è testata per nitrito in campioni fecali murini, con livelli più bassi nei 24 mesi rispetto ai 12 mesi (p < 0,05); un esito che allinea il sensore con la fisiologia nota dell’ossido nitrico intestinale e la sua decrescita con l’età. 

• Dati bibliografici. Titolo: Deposition of gold nanoparticles is varied by different scales of various surface patterns on 3D printed electrodes; Electrochimica Acta 529 (2025) 146401; autori Miller, Hussain, Keattch, Patel; DOI: 10.1016/j.electacta.2025.146401.  

Implicazioni e impatto

Design guidato dalla geometria. Con elettrodi FFF la micro‑architettura non è un dettaglio estetico: orienta la nucleazione e la crescita delle AuNP, quindi le prestazioni. In pratica, si può progettare a monte dove aumentare l’area attiva (spigoli, coste, creste) o dove privilegiare uniformità, a seconda dell’analita e della cinematica di scambio.  

Traducibilità industriale. Il processo usa stampa accessibile e un trattamento elettrochimico standard: non richiede camere pulite né coating sottovuoto. Per sensoristica PoC e ambientale, questa combinazione riduce costi e time‑to‑design. Va comunque gestita la variabilità tipica dei compositi FFF (orientazione di stampa, riempimenti, condizioni termiche).  

Sensing biomedico. Il test su nitrito nei campioni fecali offre un caso reale: l’elettrodo non si ferma alla prova con ferri/ferricianuro, ma entra in un flusso bioanalitico che implica matrice complessa, selettività e riproducibilità. Aprono qui applicazioni per monitoraggi longitudinali non invasivi di biomarcatori intestinali.  

Confronto/alternative

Altre strategie per “attivare” elettrodi FFF includono trattamenti solvente, plasma, coating continui (Au via sputtering) o laser‑induced metallization. Queste soluzioni possono offrire resistenze ancora inferiori, ma introducono costi o attrezzature maggiori. L’approccio “pattern + AuNP” equilibra semplicità e incremento prestazionale, e soprattutto è progettuale: lavora sulla forma per condizionare la chimica del deposito.  

Il messaggio operativo è chiaro: con elettrodi FFF la scelta del pattern e della scala non è neutra. Saper pre‑ingegnerizzare la superficie orienta la deposizione di AuNP e l’impedenza finale, con vantaggi misurabili nell’analitica reale. Per chi sviluppa sensori stampati, la “geometria come leva” aggiunge un grado di libertà a materiale e chimica, accelerando il passaggio da prototipi a configurazioni funzionali su casi d’uso concreti.