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- 3D打印等離子體塑料可實現(xiàn)大規(guī)模光學傳感器生產(chǎn)
- 來源：查爾姆斯理工大學 發(fā)表于 2023/10/16
等離子體塑料的細絲。由于其柔韌性，該材料幾乎可以形成任何形狀。在這個特定示例中，燈絲旨在用于3D打印機。學分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
在一個為期多年的項目中，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員開發(fā)了等離子體塑料 - 一種具有獨特光學特性的復合材料，可以3D打印。這項研究現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了3D打印的光學氫傳感器，可以在向綠色能源和工業(yè)的過渡中發(fā)揮重要作用。
對等離子體金屬納米顆粒及其許多不同的應用的興趣迅速增長，在過去二十年中發(fā)展廣泛。這些粒子之所以如此特別，是因為它們能夠與光強烈相互作用。這使得它們可用于廣泛的應用：作為醫(yī)療傳感器和治療的光學元件，用于控制化學過程的光催化以及各種類型的氣體傳感器。
等離子體塑料
六年來，查爾姆斯大學的研究人員Christoph Langhammer，Christian Müller，Kasper Moth-Poulsen，Paul Erhart和Anders Hellman及其研究團隊合作開展了一個關(guān)于等離子體塑料的研究項目。在項目開始時，等離子體金屬納米顆粒主要用于平坦的表面，需要在先進的潔凈室實驗室中進行生產(chǎn)。
研究人員的出發(fā)點是問：如果我們能夠以可持續(xù)的方式生產(chǎn)大量的等離子體金屬納米顆粒，從而有可能制造三維等離子體物體，那會怎樣？這就是塑料進入圖片的地方。塑料材料的特性意味著它們幾乎可以塑造成任何形式，具有成本效益，具有升級潛力，并且可以3D打印。
它奏效了。該項目導致開發(fā)由聚合物和膠體，等離子體活性金屬納米顆粒的混合物（或復合材料）組成的新材料。使用這些材料，您可以3D打印重量從幾分之一克到幾公斤的物體。整個項目中一些重要的研究成果現(xiàn)在已經(jīng)總結(jié)在《化學研究賬戶》的一篇文章中。
由等離子體塑料制成的3D打印傳感元件，用于光學氫傳感器。這種特殊的元素含有金屬鈀的納米顆粒，使其呈灰色。學分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
3D打印氫氣傳感器
可以檢測氫氣的等離子體傳感器是研究人員選擇在他們的項目中主要關(guān)注的這類塑料復合材料的目標應用。通過這樣做，他們在基于等離激元的光學傳感器領(lǐng)域開創(chuàng)了一種全新的方法，即能夠3D打印這些傳感器。
“需要不同類型的傳感器來加速醫(yī)學的發(fā)展，或者使用氫作為替代無碳燃料。聚合物和納米顆粒之間的相互作用是這些傳感器由等離子體塑料制造時的關(guān)鍵因素。
“在傳感器應用中，這種類型的塑料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造（3D打�。�，以及材料制造過程中的可擴展性，而且具有過濾掉除小分子以外的所有分子的額外重要功能——在我們的應用中，這些是我們想要檢測的氫分子。這可以防止傳感器隨著時間的推移而停用，“領(lǐng)導該項目的物理系教授Christoph Langhammer說。
“傳感器的設(shè)計使金屬納米顆粒在與氫氣接觸時會改變顏色，因為它們像海綿一樣吸收氣體。如果水平過高，顏色變化會立即提醒您，這在您處理氫氣時至關(guān)重要。在太高的水平下，當與空氣混合時，它會變得易燃，“Christoph Langhammer說。
瑞典西部Vinga燈塔的3D打印模型。材料的顏色由等離子體塑料中用于納米顆粒的金屬以及它們的形狀和大小決定。學分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
可應用多種
雖然減少塑料的使用通常是可取的，但有許多先進的工程應用只有由于塑料的獨特性能才有可能實現(xiàn)。等離子體塑料現(xiàn)在可以利用聚合物技術(shù)的多功能工具箱來設(shè)計新型氣體傳感器，或者在健康和可穿戴技術(shù)中的應用。由于其吸引人且可調(diào)節(jié)的顏色，它甚至可能激發(fā)藝術(shù)家和時裝設(shè)計師的靈感。
“我們已經(jīng)證明，材料的生產(chǎn)可以擴大規(guī)模，它基于環(huán)境友好和資源節(jié)約型合成方法來制造納米顆粒，并且易于實施。在項目中，我們選擇將等離子體塑料應用于氫傳感器，但實際上只有我們的想象力才是它的極點，“Christoph Langhammer說。
等離子體塑料的工作原理
等離子體塑料由聚合物（例如無定形特氟龍或PMMA（有機玻璃））和均勻分布在聚合物內(nèi)的金屬膠體納米顆粒組成。在納米尺度上，金屬顆粒獲得了有用的特性，例如與光強烈相互作用的能力。這種效應稱為等離激元。如果周圍環(huán)境發(fā)生變化，或者它們會改變自己，例如通過化學反應或吸收氫，納米顆�？梢愿淖冾伾�
通過將納米顆粒分散在聚合物中，它們可以免受周圍環(huán)境的影響，因為較大的分子不像極小的氫分子那樣能夠在聚合物中移動。聚合物充當分子過濾器。這意味著等離子體塑料氫傳感器可以在更苛刻的環(huán)境中使用，并且老化時間更小。聚合物還可以輕松創(chuàng)建具有這些有趣等離子體特性的尺寸截然不同的三維物體。
聚合物、納米顆粒和光之間的這種獨特相互作用可用于實現(xiàn)定制效果，可能用于各種產(chǎn)品。不同類型的聚合物和金屬為復合材料貢獻不同的性能，可以根據(jù)特定應用進行定制。
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