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- 3D打印等離子體塑料可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光學(xué)傳感器生產(chǎn)
- 來(lái)源：查爾姆斯理工大學(xué) 發(fā)表于 2023/10/16
等離子體塑料的細(xì)絲。由于其柔韌性，該材料幾乎可以形成任何形狀。在這個(gè)特定示例中，燈絲旨在用于3D打印機(jī)。學(xué)分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
在一個(gè)為期多年的項(xiàng)目中，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了等離子體塑料 - 一種具有獨(dú)特光學(xué)特性的復(fù)合材料，可以3D打印。這項(xiàng)研究現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了3D打印的光學(xué)氫傳感器，可以在向綠色能源和工業(yè)的過(guò)渡中發(fā)揮重要作用。
對(duì)等離子體金屬納米顆粒及其許多不同的應(yīng)用的興趣迅速增長(zhǎng)，在過(guò)去二十年中發(fā)展廣泛。這些粒子之所以如此特別，是因?yàn)樗鼈兡軌蚺c光強(qiáng)烈相互作用。這使得它們可用于廣泛的應(yīng)用：作為醫(yī)療傳感器和治療的光學(xué)元件，用于控制化學(xué)過(guò)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(lái)，查爾姆斯大學(xué)的研究人員Christoph Langhammer，Christian Müller，Kasper Moth-Poulsen，Paul Erhart和Anders Hellman及其研究團(tuán)隊(duì)合作開展了一個(gè)關(guān)于等離子體塑料的研究項(xiàng)目。在項(xiàng)目開始時(shí)，等離子體金屬納米顆粒主要用于平坦的表面，需要在先進(jìn)的潔凈室實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行生產(chǎn)。
研究人員的出發(fā)點(diǎn)是問(wèn)：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(huì)怎樣？這就是塑料進(jìn)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(jí)潛力，并且可以3D打印。
它奏效了。該項(xiàng)目導(dǎo)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(fù)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(gè)項(xiàng)目中一些重要的研究成果現(xiàn)在已經(jīng)總結(jié)在《化學(xué)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(xué)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(xué)分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
3D打印氫氣傳感器
可以檢測(cè)氫氣的等離子體傳感器是研究人員選擇在他們的項(xiàng)目中主要關(guān)注的這類塑料復(fù)合材料的目標(biāo)應(yīng)用。通過(guò)這樣做，他們?cè)诨诘入x激元的光學(xué)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(lái)加速醫(yī)學(xué)的發(fā)展，或者使用氫作為替代無(wú)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(shí)的關(guān)鍵因素。
“在傳感器應(yīng)用中，這種類型的塑料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造（3D打印），以及材料制造過(guò)程中的可擴(kuò)展性，而且具有過(guò)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(yīng)用中，這些是我們想要檢測(cè)的氫分子。這可以防止傳感器隨著時(shí)間的推移而停用，“領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的物理系教授Christoph Langhammer說(shuō)。
“傳感器的設(shè)計(jì)使金屬納米顆粒在與氫氣接觸時(shí)會(huì)改變顏色，因?yàn)樗鼈兿窈＞d一樣吸收氣體。如果水平過(guò)高，顏色變化會(huì)立即提醒您，這在您處理氫氣時(shí)至關(guān)重要。在太高的水平下，當(dāng)與空氣混合時(shí)，它會(huì)變得易燃，“Christoph Langhammer說(shuō)。
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(xué)分：查爾默斯/馬林·阿內(nèi)森
可應(yīng)用多種
雖然減少塑料的使用通常是可取的，但有許多先進(jìn)的工程應(yīng)用只有由于塑料的獨(dú)特性能才有可能實(shí)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(lái)設(shè)計(jì)新型氣體傳感器，或者在健康和可穿戴技術(shù)中的應(yīng)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(shí)裝設(shè)計(jì)師的靈感。
“我們已經(jīng)證明，材料的生產(chǎn)可以擴(kuò)大規(guī)模，它基于環(huán)境友好和資源節(jié)約型合成方法來(lái)制造納米顆粒，并且易于實(shí)施。在項(xiàng)目中，我們選擇將等離子體塑料應(yīng)用于氫傳感器，但實(shí)際上只有我們的想象力才是它的極點(diǎn)，“Christoph Langhammer說(shuō)。
等離子體塑料的工作原理
等離子體塑料由聚合物（例如無(wú)定形特氟龍或PMMA（有機(jī)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(qiáng)烈相互作用的能力。這種效應(yīng)稱為等離激元。如果周圍環(huán)境發(fā)生變化，或者它們會(huì)改變自己，例如通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或吸收氫，納米顆粒可以改變顏色。
通過(guò)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?yàn)檩^大的分子不像極小的氫分子那樣能夠在聚合物中移動(dòng)。聚合物充當(dāng)分子過(guò)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(shí)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(dú)特相互作用可用于實(shí)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(fù)合材料貢獻(xiàn)不同的性能，可以根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。
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