3D-printad plasmonisk plast öppnar för storskalig produktion av optiska sensorer

Intresset för plasmoniska metallnanopartiklar och deras många olika tillämpningar har växt snabbt och utvecklats brett under de senaste två decennierna. Det som gör dessa partiklar så speciella är att de växelverkar mycket starkt med ljus. Det gör dem användbara för vitt skilda områden: som optiska komponenter, för medicinska sensorer och behandlingar, i fotokatalys som styr kemiska processer och i olika typer av gassensorer.

Plasmonisk plast

Under sex års tid har Chalmersforskarna Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart och Anders Hellman och deras forskargrupper samarbetat i ett forskningsprojekt om plasmonisk plast. När projektet började hade plasmoniska metallnanopartiklar framför allt använts på plana ytor som tillverkas i avancerade renrumslaboratorier. Forskarnas utgångspunkt var att undersöka det omvända i sitt projekt: hur de skulle kunna ta fram större volymer av plasmoniska metallpartiklar på ett hållbart sätt samt göra det möjligt att tillverka tredimensionella plasmoniska objekt. Det är här plasten kommer in i bilden eftersom den förknippas med nästan obegränsad formbarhet, kostnadseffektivitet, uppskalningspotential och möjlighet till 3D-skrivning.

Det visade sig fungera. Projektet har resulterat i framtagandet av helt nya material som består av en blandning av plast och kolloidala, plasmoniskt aktiva metallnanopartiklar, som gör det möjligt att 3D-skriva objekt i allt från en bråkdel av ett gram upp till flera kilogram tunga objekt. De viktigaste forskningsresultaten från hela projektet sammanfattas nu i den vetenskapliga tidskriften Accounts of Chemical Research.

3D-printade vätgassensorer

Sensorer som detekterar vätgas är den tillämpning av den plasmoniska plasten som forskarna valt att fokusera på i sitt projekt. De introducerar därmed ett nytt grepp inom det optiska sensorfältet som bygger på plasmoner, nämligen möjligheten att 3D-printa sensorerna.

– För att skynda på utvecklingen inom exempelvis medicin eller användningen av vätgas som ett alternativt kolfritt bränsle behövs olika typer av sensorer. När de konstrueras av plasmonisk plast är samspelet mellan plast och nanopartiklar nyckeln. I materialtillverkningen möjliggör plasten både 3D-printande och skalbarhet, men plasten har även den ytterligare viktiga funktionen att den filtrerar bort alla molekyler utom de minsta – i vår tillämpning vätgasmolekylerna som vi vill mäta. Detta förhindrar bland annat att sensorn deaktiveras över tid, säger Christoph Langhammer, professor vid institutionen för fysik, som har lett projektet.

– Sensorn är konstruerad så att metallnanopartiklarna ändrar färg vid kontakt med vätgasen eftersom de absorberar väte som en svamp. Färgskiftningen larmar i sin tur direkt om halterna blir för höga, vilket är a och o när man använder sig av vätgas som vid för höga halter blir lättantändlig när den blandas med luft, säger Christoph Langhammer.

Många tillämpningar möjliga

Även om en minskning av användningen av plast är önskvärd i allmänhet, finns det många avancerade tekniska tillämpningar som endast kan förverkligas tack vare plastens unika egenskaper. Plasmoniska plaster kan göra det möjligt att utnyttja den mångsidiga verktygslåda som polymertekniken utgör, till exempel vid utformning av nya gassensorer eller inom hälso- och bärbar teknologi. De kan till och med inspirera konstnärer och modedesigners tack vare deras vackra färger.

– Vi har visat att materialproduktionen går att skala upp, bygger på miljövänliga och resurssnåla syntesmetoder för partiklarna och är enkel att implementera. Inom projektet har vi valt att använda den plasmoniska plasten i vätgassensorer, men egentligen är det bara fantasin som sätter gränserna för vad den kan användas till, säger Christoph Langhammer.

Så fungerar plasmonisk plast

• Plasmonisk plast består av en polymer, till exempel teflon eller PMMA (”plexiglas”), och kolloidala nanopartiklar av en metall som är finfördelade inuti polymeren. På nanoskalan får metallpartiklarna spännande egenskaper såsom en mycket stark växelverkan med synligt ljus. Denna effekt kallas plasmoner. Nanopartiklarna kan då ändra färg om det sker en förändring i deras omgivning eller om de förändras själva, till exempel genom en kemisk reaktion, eller genom att absorbera väte.
• När nanopartiklarna finfördelas i polymeren blir de skyddade från omgivningen. Större molekyler kan inte röra sig genom polymeren lika effektivt som de ytterst små vätgasmolekylerna, vilket gör att de resulterande vätgassensorerna kan användas i mer krävande miljöer samt att de åldras mindre. Samtidigt gör plasten det också möjligt att enkelt skapa tredimensionella objekt i väldigt olika storlekar som har dessa intressanta plasmoniska egenskaper.
• Detta unika samspel mellan plast, nanopartiklar och ljus kan man använda sig av för att uppnå önskade effekter i olika produkter. Olika typer av plast och metaller ger olika egenskaper hos materialet som därmed kan skräddarsys för en viss tillämpning.

Mer om forskningen

• Forskningsprojektet ”Plastic Plasmonics” har finansierats med 28,9 miljoner av Stiftelsen för Strategisk Forskning och avslutades sommaren 2022.
• I artikeln Bulk-Processed Plasmonic Plastic Nanocomposite Materials for Optical Hydrogen Detection, som publicerades i Accounts of Chemical Research den 4 juli 2023, redogörs för forskningen som mellan 2017 och 2022 presenterats i närmare 40 olika publikationer.
• Artikeln är skriven av Iwan Darmadi, Ida Östergren, Sarah Lerch, Anja Lund, Kasper Moth-Poulsen, Christian Müller och Christoph Langhammer. Artikelförfattarna är verksamma vid institutionen för fysik och institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola. Forskarna Anders Hellman och Paul Erhart, båda vid institutionen för fysik, samt deras forskargrupper, har också bidragit till projektet. Förutom vid Chalmers, är Kasper Moth Paulsen även verksam vid Institute of Materials Science of Barcelona, Catalan Institution for Research and Advanced Studies ICREA och Department of Chemical Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya.