En un proyecto de varios años, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han desarrollado plástico plasmónico, un tipo de material compuesto con propiedades ópticas únicas que se puede imprimir en 3D. Esta investigación ha dado como resultado sensores ópticos de hidrógeno impresos en 3D que podrían desempeñar un papel importante en la transición hacia la energía y la industria verdes.
El interés en las nanopartículas de metales plasmónicos y sus diferentes aplicaciones ha crecido rápidamente y se ha desarrollado en un amplio espectro durante las últimas dos décadas. Lo que hace que estas partículas sean tan especiales es su capacidad para interactuar fuertemente con la luz. Esto los hace útiles para una amplia gama de aplicaciones:como componentes ópticos para sensores y tratamientos médicos, en fotocatálisis para controlar procesos químicos y en varios tipos de sensores de gas.
Durante seis años, los investigadores de Chalmers Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart y Anders Hellman y sus equipos de investigación colaboraron en un proyecto de investigación sobre el plástico plasmónico. En el momento en que comenzó el proyecto, las nanopartículas metálicas plasmónicas se utilizaban principalmente en superficies planas y requerían producción en laboratorios de sala limpia avanzados.
El punto de partida de los investigadores fue preguntarse:¿y si pudiéramos producir grandes volúmenes de nanopartículas metálicas plasmónicas de forma sostenible que permitieran fabricar objetos plasmónicos tridimensionales? Aquí es donde el plástico entró en escena. Las propiedades de los materiales plásticos implican que se les puede dar casi cualquier forma, son rentables, tienen potencial de ampliación y se pueden imprimir en 3D.
Y funcionó. El proyecto dio como resultado el desarrollo de nuevos materiales compuestos por una mezcla (o compuesto) de un polímero y nanopartículas metálicas coloidales plasmónicamente activas. Con estos materiales, se pueden imprimir en 3D objetos de cualquier peso, desde una fracción de gramo hasta varios kilogramos. Algunos de los resultados de investigación más importantes de todo el proyecto se han resumido en un artículo en Accounts of Chemical Research. .
Sensores de hidrógeno impresos en 3D
Los sensores plasmónicos que pueden detectar hidrógeno son la aplicación objetivo de este tipo de material compuesto plástico en la que los investigadores decidieron centrarse en su proyecto. Al hacerlo, han sido pioneros en un enfoque completamente nuevo en el campo de los sensores ópticos basados en plasmones, concretamente la posibilidad de imprimir estos sensores en 3D.
"Se necesitan diferentes tipos de sensores para acelerar el desarrollo en medicina o el uso del hidrógeno como combustible alternativo libre de carbono. La interacción entre el polímero y las nanopartículas es el factor clave cuando estos sensores se fabrican a partir de plástico plasmónico."
"En aplicaciones de sensores, este tipo de plástico no sólo permite la fabricación aditiva (impresión 3D), así como la escalabilidad en el proceso de fabricación del material, sino que tiene la importante función adicional de filtrar todas las moléculas excepto las más pequeñas; en nuestra aplicación, estas son las moléculas de hidrógeno que queremos detectar. Esto evita que el sensor se desactive con el tiempo", afirma Christoph Langhammer, profesor del Departamento de Física, que dirigió el proyecto.
"El sensor está diseñado para que las nanopartículas metálicas cambien de color cuando entran en contacto con el hidrógeno, porque absorben el gas como una esponja. El cambio de color a su vez te avisa inmediatamente si los niveles suben demasiado, lo cual es esencial cuando estás Cuando se trata de gas hidrógeno, en niveles demasiado altos se vuelve inflamable al mezclarse con el aire", afirma Christoph Langhammer.
Muchas aplicaciones posibles
Si bien en general es deseable reducir el uso de plásticos, existen numerosas aplicaciones de ingeniería avanzada que sólo son posibles gracias a las propiedades únicas de los plásticos. Los plásticos plasmónicos ahora pueden hacer posible explotar la versátil caja de herramientas de la tecnología de polímeros para diseñar nuevos sensores de gas, o aplicaciones en salud y tecnologías portátiles, como otros ejemplos. Incluso puede inspirar a artistas y diseñadores de moda gracias a sus colores atractivos y personalizables.
"Hemos demostrado que la producción del material se puede ampliar, que se basa en métodos de síntesis respetuosos con el medio ambiente y que ahorran recursos para la creación de nanopartículas, y que es fácil de implementar. En el proyecto decidimos aplicar el plasmónico plástico hasta sensores de hidrógeno, pero en realidad sólo nuestra imaginación es el límite para su uso", afirma Christoph Langhammer.
Más información: Iwan Darmadi et al, Materiales nanocompuestos plásticos plasmónicos procesados a granel para la detección óptica de hidrógeno, Relatos de investigación química (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182
Información de la revista: Relatos de investigaciones químicas
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Chalmers
