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(noticias nanowerk) En un proyecto de varios años, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han desarrollado plástico plasmónico, un tipo de material compuesto con propiedades ópticas únicas que se puede imprimir en 3D. Esta investigación ha dado lugar ahora a 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 diversas aplicaciones ha crecido rápidamente en las últimas dos décadas y se ha desarrollado en un amplio espectro. Lo especial de estas partículas es su capacidad de 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 gases.
plástico plasmónico
Durante seis años, los investigadores de Chalmers Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart y Anders Hellman y sus equipos de investigación trabajaron juntos en un proyecto de investigación sobre el plástico plasmónico. Al inicio del proyecto, las nanopartículas metálicas plasmónicas se utilizaban principalmente en superficies planas y debían producirse en modernos laboratorios con salas blancas. El punto de partida de los investigadores fue la siguiente pregunta: ¿Qué pasaría si pudiéramos producir de forma sostenible grandes cantidades de nanopartículas metálicas plasmónicas que permitieran la creación de objetos plasmónicos tridimensionales? Aquí es donde entró en juego el plástico. Las propiedades de los materiales plásticos significan que se pueden moldear en casi cualquier forma, son económicos, tienen potencial de ampliación y se pueden imprimir en 3D.
Y funcionó. El proyecto condujo al desarrollo de nuevos materiales compuestos por una mezcla (o compuesto) de un polímero y nanopartículas metálicas coloidales y plasmónicamente activas. Estos materiales permiten imprimir en 3D objetos que pesan 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 la revista especializada Informes de investigación química (“Nanocompuestos plásticos plasmónicos procesados en masa para la detección óptica de hidrógeno”).
![Un filamento de plástico plasmónico.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63740_1.jpg)
Sensores de hidrógeno impresos en 3D
Los sensores plasmónicos que pueden detectar hidrógeno son la aplicación objetivo de estos materiales compuestos plásticos en los que se centran los investigadores en su proyecto. Con ello han creado un enfoque completamente nuevo en el campo de los sensores ópticos basados en plasmones: la posibilidad de imprimir estos sensores en 3D.
“Para acelerar el desarrollo en medicina o el uso del hidrógeno como combustible alternativo libre de carbono, se necesitan diferentes tipos de sensores. La interacción entre el polímero y las nanopartículas es el factor clave en la producción de estos sensores plásticos plasmónicos. En aplicaciones de sensores, este tipo de plástico no sólo permite la fabricación aditiva (impresión 3D) y la escalabilidad en el proceso de fabricación del material, sino que también tiene la importante función de filtrar todas las moléculas excepto las más pequeñas; en nuestra aplicación, estas son las moléculas de hidrógeno que detectamos necesidad. 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 valores son demasiado altos, lo cual es fundamental cuando se trata de gas hidrógeno. Si las concentraciones son demasiado altas, 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 técnicas avanzadas que solo son posibles gracias a las propiedades únicas de los plásticos. Los plásticos plasmónicos ahora podrían hacer posible utilizar la versátil caja de herramientas de la tecnología de polímeros para el desarrollo de nuevos sensores de gas o para aplicaciones en atención médica y tecnologías portátiles, por nombrar 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 es escalable, se basa en métodos de síntesis respetuosos con el medio ambiente y que ahorran recursos para producir nanopartículas y es fácil de implementar. Como parte del proyecto decidimos aplicar el plástico plasmónico a sensores de hidrógeno, pero en realidad sólo nuestra imaginación es el límite para las posibles aplicaciones”, afirma Christoph Langhammer.
![Un modelo impreso en 3D del faro de Vinga](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63740_2.jpg)
Cómo funciona el plástico plasmónico
El plástico plasmónico está formado por un polímero como el teflón amorfo o el PMMA (plexiglás) y nanopartículas coloidales de un metal que se distribuyen homogéneamente por todo el polímero. A escala nanométrica, las partículas metálicas adquieren propiedades útiles, como la capacidad de interactuar fuertemente con la luz. El efecto de esto se llama plasmones. Las nanopartículas pueden entonces cambiar de color cuando cambia su entorno o cuando ellas mismas cambian, por ejemplo mediante una reacción química o absorbiendo hidrógeno.
Al dispersar las nanopartículas en el polímero, quedan protegidas del medio ambiente porque las moléculas más grandes no pueden moverse a través del polímero tan bien como las moléculas de hidrógeno extremadamente pequeñas. El polímero actúa como un filtro molecular. Esto significa que un sensor de hidrógeno de plástico plasmónico se puede utilizar en entornos más exigentes y envejece menos. El polímero también permite la producción sencilla de objetos tridimensionales de varios tamaños que exhiben estas interesantes propiedades plasmónicas.
Esta interacción única entre polímeros, nanopartículas y luz puede crear efectos personalizados, potencialmente en una variedad de productos. Los diferentes tipos de polímeros y metales confieren al compuesto diferentes propiedades que pueden adaptarse a la aplicación específica.
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