Num projeto de vários anos, investigadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, desenvolveram plástico plasmónico – um tipo de material compósito com propriedades ópticas únicas que pode ser impresso em 3D. Esta pesquisa resultou agora em sensores ópticos de hidrogênio impressos em 3D que poderiam desempenhar um papel importante na transição para a energia e a indústria verdes.



O interesse em nanopartículas metálicas plasmônicas e suas diversas aplicações cresceu rapidamente, desenvolvendo-se em um amplo espectro nas últimas duas décadas. O que torna estas partículas tão especiais é a sua capacidade de interagir fortemente com a luz. Isto os torna úteis para uma ampla gama de aplicações:como componentes ópticos para sensores e tratamentos médicos, em fotocatálise para controlar processos químicos e em vários tipos de sensores de gases.

Plástico plasmônico

Durante seis anos, os pesquisadores da Chalmers, Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart e Anders Hellman e suas equipes de pesquisa colaboraram em um projeto de pesquisa sobre plástico plasmônico. Na época em que o projeto começou, as nanopartículas metálicas plasmônicas eram usadas principalmente em superfícies planas e exigiam produção em laboratórios avançados de salas limpas.

O ponto de partida dos pesquisadores foi perguntar:e se pudéssemos produzir grandes volumes de nanopartículas metálicas plasmônicas de forma sustentável que possibilitasse a fabricação de objetos plasmônicos tridimensionais? Foi aqui que o plástico entrou em cena. As propriedades dos materiais plásticos significam que eles podem ser moldados em praticamente qualquer formato, são econômicos, têm potencial de aumento de escala e podem ser impressos em 3D.

E funcionou. O projeto resultou no desenvolvimento de novos materiais constituídos por uma mistura (ou compósito) de um polímero e nanopartículas metálicas coloidais e plasmonicamente ativas. Com esses materiais, você pode imprimir em 3D objetos de qualquer peso, desde uma fração de grama até vários quilogramas. Alguns dos resultados de pesquisa mais importantes de todo o projeto foram agora resumidos em um artigo na Accounts of Chemical Research .

Sensores de hidrogênio impressos em 3D

Sensores plasmônicos capazes de detectar hidrogênio são a aplicação alvo desse tipo de material compósito plástico que os pesquisadores optaram por focar em seu projeto. Ao fazer isso, eles foram pioneiros em uma abordagem inteiramente nova no campo de sensores ópticos baseados em plasmons, ou seja, sendo capazes de imprimir esses sensores em 3D.

"Diferentes tipos de sensores são necessários para acelerar o desenvolvimento da medicina ou o uso do hidrogênio como combustível alternativo sem carbono. A interação entre o polímero e as nanopartículas é o fator chave quando esses sensores são fabricados a partir de plástico plasmônico."

"Em aplicações de sensores, este tipo de plástico não só permite a fabricação aditiva (impressão 3D), bem como a escalabilidade no processo de fabricação de materiais, mas tem a importante função adicional de filtrar todas as moléculas, exceto as menores - em nossa aplicação, estas são as moléculas de hidrogênio que queremos detectar. Isso evita que o sensor seja desativado com o tempo", diz Christoph Langhammer, professor do Departamento de Física, que liderou o projeto.

“O sensor foi projetado para que as nanopartículas metálicas mudem de cor ao entrar em contato com o hidrogênio, pois absorvem o gás como uma esponja. A mudança de cor, por sua vez, alerta imediatamente se os níveis ficarem muito altos, o que é essencial quando você está lidar com gás hidrogênio em níveis muito altos, ele se torna inflamável quando misturado com o ar", diz Christoph Langhammer.

Muitas aplicações possíveis

Embora em geral seja desejável uma redução na utilização de plásticos, existem inúmeras aplicações de engenharia avançada que só são possíveis graças às propriedades únicas dos plásticos. Os plásticos plasmônicos podem agora tornar possível explorar a versátil caixa de ferramentas da tecnologia de polímeros para projetar novos sensores de gás ou aplicações em saúde e tecnologias vestíveis, como outros exemplos. Pode até inspirar artistas e designers de moda devido às suas cores atraentes e sintonizáveis.

“Mostramos que a produção do material pode ser ampliada, que se baseia em métodos de síntese ecologicamente corretos e eficientes em termos de recursos para a criação de nanopartículas, e é fácil de implementar. Dentro do projeto, optamos por aplicar o plasmônico plástico para sensores de hidrogênio, mas na realidade apenas a nossa imaginação é o limite para o que ele pode ser usado", diz Christoph Langhammer.

Como funciona o plástico plasmônico

• O plástico plasmônico consiste em um polímero, como Teflon amorfo ou PMMA (plexiglas), e nanopartículas coloidais de um metal que são distribuídas homogeneamente dentro do polímero. Na nanoescala, as partículas metálicas adquirem propriedades úteis, como a capacidade de interagir fortemente com a luz. O efeito disso é chamado de plasmons. As nanopartículas podem então mudar de cor se houver uma mudança no seu entorno ou se elas próprias mudarem, por exemplo, através de uma reação química ou pela absorção de hidrogênio.
• Ao dispersar as nanopartículas no polímero, elas ficam protegidas do ambiente porque moléculas maiores não são tão capazes de se mover através do polímero como as moléculas de hidrogênio, que são extremamente pequenas. O polímero atua como filtro molecular. Isso significa que um sensor plasmônico de hidrogênio plástico pode ser usado em ambientes mais exigentes e envelhecerá menos. O polímero também torna possível criar facilmente objetos tridimensionais de tamanhos muito diferentes que possuem essas propriedades plasmônicas interessantes.
• Essa interação única entre o polímero, as nanopartículas e a luz pode ser usada para obter efeitos personalizados, potencialmente em uma ampla gama de produtos. Diferentes tipos de polímeros e metais contribuem com propriedades diferentes para o material compósito, que podem ser adaptados à aplicação específica.

Mais informações: Iwan Darmadi et al, Materiais Nanocompósitos Plásticos Plasmônicos Processados ​​em Massa para Detecção Óptica de Hidrogênio, Contas de Pesquisa Química (2023). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00182
Informações do diário: Relatos de Pesquisa Química

Fornecido pela Chalmers University of Technology