Dans le cadre d'un projet pluriannuel, des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers en Suède ont développé du plastique plasmonique, un type de matériau composite doté de propriétés optiques uniques qui peut être imprimé en 3D. Ces recherches ont désormais abouti à des capteurs optiques d'hydrogène imprimés en 3D qui pourraient jouer un rôle important dans la transition vers l'énergie et l'industrie vertes.
L’intérêt pour les nanoparticules métalliques plasmoniques et leurs nombreuses applications différentes s’est développé rapidement, se développant sur un large spectre au cours des deux dernières décennies. Ce qui rend ces particules si spéciales, c’est leur capacité à interagir fortement avec la lumière. Cela les rend utiles pour un large éventail d'applications :comme composants optiques pour les capteurs et traitements médicaux, en photocatalyse pour contrôler les processus chimiques et dans divers types de capteurs de gaz.
Pendant six ans, les chercheurs de Chalmers Christoph Langhammer, Christian Müller, Kasper Moth-Poulsen, Paul Erhart et Anders Hellman et leurs équipes de recherche ont collaboré à un projet de recherche sur le plastique plasmonique. Au début du projet, les nanoparticules métalliques plasmoniques étaient principalement utilisées sur des surfaces planes et nécessitaient une production dans des laboratoires de salle blanche avancés.
Le point de départ des chercheurs était de se demander :et si nous pouvions produire de manière durable de grands volumes de nanoparticules métalliques plasmoniques qui permettraient de fabriquer des objets plasmoniques tridimensionnels ? C’est là que le plastique est entré en scène. Les propriétés des matériaux plastiques signifient qu'ils peuvent être façonnés sous presque toutes les formes, qu'ils sont rentables, qu'ils ont un potentiel de mise à l'échelle et qu'ils peuvent être imprimés en 3D.
Et ça a marché. Le projet a abouti au développement de nouveaux matériaux constitués d’un mélange (ou composite) d’un polymère et de nanoparticules métalliques colloïdales à activité plasmonique. Avec ces matériaux, vous pouvez imprimer en 3D des objets pesant entre une fraction de gramme et plusieurs kilogrammes. Certains des résultats de recherche les plus importants de l'ensemble du projet ont été résumés dans un article dans Accounts of Chemical Research. .
Capteurs d'hydrogène imprimés en 3D
Les capteurs plasmoniques capables de détecter l’hydrogène sont l’application cible de ce type de matériau composite plastique sur laquelle les chercheurs ont choisi de se concentrer dans leur projet. Ce faisant, ils ont lancé une toute nouvelle approche dans le domaine des capteurs optiques basés sur des plasmons, à savoir la possibilité d'imprimer ces capteurs en 3D.
"Différents types de capteurs sont nécessaires pour accélérer le développement de la médecine ou l'utilisation de l'hydrogène comme carburant alternatif sans carbone. L'interaction entre le polymère et les nanoparticules est le facteur clé lorsque ces capteurs sont fabriqués à partir de plastique plasmonique."
"Dans les applications de capteurs, ce type de plastique permet non seulement la fabrication additive (impression 3D), ainsi que l'évolutivité du processus de fabrication des matériaux, mais a également la fonction importante de filtrer toutes les molécules, à l'exception des plus petites. Dans notre application, ces sont les molécules d'hydrogène que nous voulons détecter. Cela empêche le capteur de se désactiver avec le temps", explique Christoph Langhammer, professeur au Département de physique, qui a dirigé le projet.
"Le capteur est conçu pour que les nanoparticules métalliques changent de couleur lorsqu'elles entrent en contact avec l'hydrogène, car elles absorbent le gaz comme une éponge. Le changement de couleur vous avertit immédiatement si les niveaux deviennent trop élevés, ce qui est essentiel lorsque vous êtes en contact avec de l'hydrogène. Lorsqu'il s'agit d'hydrogène gazeux, à des niveaux trop élevés, il devient inflammable lorsqu'il est mélangé à l'air", explique Christoph Langhammer.
De nombreuses applications possibles
Bien qu’une réduction de l’utilisation des plastiques soit souhaitable en général, il existe de nombreuses applications techniques avancées qui ne sont possibles que grâce aux propriétés uniques des plastiques. Les plastiques plasmoniques peuvent désormais permettre d'exploiter la boîte à outils polyvalente de la technologie des polymères pour concevoir de nouveaux capteurs de gaz ou des applications dans le domaine de la santé et des technologies portables, entre autres exemples. Il peut même inspirer les artistes et les créateurs de mode grâce à ses couleurs attrayantes et personnalisables.
"Nous avons montré que la production de ce matériau peut être augmentée, qu'elle repose sur des méthodes de synthèse respectueuses de l'environnement et économes en ressources pour créer des nanoparticules, et qu'elle est facile à mettre en œuvre. Dans le cadre du projet, nous avons choisi d'appliquer la méthode plasmonique du plastique aux capteurs d'hydrogène, mais en réalité, seule notre imagination est la limite de son utilisation", déclare Christoph Langhammer.
Plus d'informations : Iwan Darmadi et al, Matériaux nanocomposites plastiques plasmoniques traités en masse pour la détection optique de l'hydrogène, Récits de recherche chimique (2023). DOI : 10.1021/acs.accounts.3c00182
Informations sur le journal : Comptes de recherche chimique
Fourni par l'Université de technologie Chalmers
