等离子体塑料的细丝。由于其柔韧性，该材料几乎可以形成任何形状。在这个特定示例中，灯丝旨在用于3D打印机。学分：查尔默斯/马林·阿内森
在一个为期多年的项目中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发了等离子体塑料 - 一种具有独特光学特性的复合材料，可以3D打印。这项研究现在已经产生了3D打印的光学氢传感器，可以在向绿色能源和工业的过渡中发挥重要作用。
对等离子体金属纳米颗粒及其许多不同的应用的兴趣迅速增长，在过去二十年中发展广泛。这些粒子之所以如此特别，是因为它们能够与光强烈相互作用。这使得它们可用于广泛的应用：作为医疗传感器和治疗的光学元件，用于控制化学过程的光催化以及各种类型的气体传感器。
等离子体塑料
六年来，查尔姆斯大学的研究人员Christoph Langhammer，Christian Müller，Kasper Moth-Poulsen，Paul Erhart和Anders Hellman及其研究团队合作开展了一个关于等离子体塑料的研究项目。在项目开始时，等离子体金属纳米颗粒主要用于平坦的表面，需要在先进的洁净室实验室中进行生产。
研究人员的出发点是问：如果我们能够以可持续的方式生产大量的等离子体金属纳米颗粒，从而有可能制造三维等离子体物体，那会怎样？这就是塑料进入图片的地方。塑料材料的特性意味着它们几乎可以塑造成任何形式，具有成本效益，具有升级潜力，并且可以3D打印。
它奏效了。该项目导致开发由聚合物和胶体，等离子体活性金属纳米颗粒的混合物（或复合材料）组成的新材料。使用这些材料，您可以3D打印重量从几分之一克到几公斤的物体。整个项目中一些重要的研究成果现在已经总结在《化学研究账户》的一篇文章中。
由等离子体塑料制成的3D打印传感元件，用于光学氢传感器。这种特殊的元素含有金属钯的纳米颗粒，使其呈灰色。学分：查尔默斯/马林·阿内森
3D打印氢气传感器
可以检测氢气的等离子体传感器是研究人员选择在他们的项目中主要关注的这类塑料复合材料的目标应用。通过这样做，他们在基于等离激元的光学传感器领域开创了一种全新的方法，即能够3D打印这些传感器。
“需要不同类型的传感器来加速医学的发展，或者使用氢作为替代无碳燃料。聚合物和纳米颗粒之间的相互作用是这些传感器由等离子体塑料制造时的关键因素。
“在传感器应用中，这种类型的塑料不仅能够实现增材制造（3D打印），以及材料制造过程中的可扩展性，而且具有过滤掉除小分子以外的所有分子的额外重要功能——在我们的应用中，这些是我们想要检测的氢分子。这可以防止传感器随着时间的推移而停用，“领导该项目的物理系教授Christoph Langhammer说。
“传感器的设计使金属纳米颗粒在与氢气接触时会改变颜色，因为它们像海绵一样吸收气体。如果水平过高，颜色变化会立即提醒您，这在您处理氢气时至关重要。在太高的水平下，当与空气混合时，它会变得易燃，“Christoph Langhammer说。
瑞典西部Vinga灯塔的3D打印模型。材料的颜色由等离子体塑料中用于纳米颗粒的金属以及它们的形状和大小决定。学分：查尔默斯/马林·阿内森
可应用多种
虽然减少塑料的使用通常是可取的，但有许多先进的工程应用只有由于塑料的独特性能才有可能实现。等离子体塑料现在可以利用聚合物技术的多功能工具箱来设计新型气体传感器，或者在健康和可穿戴技术中的应用。由于其吸引人且可调节的颜色，它甚至可能激发艺术家和时装设计师的灵感。
“我们已经证明，材料的生产可以扩大规模，它基于环境友好和资源节约型合成方法来制造纳米颗粒，并且易于实施。在项目中，我们选择将等离子体塑料应用于氢传感器，但实际上只有我们的想象力才是它的极点，“Christoph Langhammer说。
等离子体塑料的工作原理
等离子体塑料由聚合物（例如无定形特氟龙或PMMA（有机玻璃））和均匀分布在聚合物内的金属胶体纳米颗粒组成。在纳米尺度上，金属颗粒获得了有用的特性，例如与光强烈相互作用的能力。这种效应称为等离激元。如果周围环境发生变化，或者它们会改变自己，例如通过化学反应或吸收氢，纳米颗粒可以改变颜色。
通过将纳米颗粒分散在聚合物中，它们可以免受周围环境的影响，因为较大的分子不像极小的氢分子那样能够在聚合物中移动。聚合物充当分子过滤器。这意味着等离子体塑料氢传感器可以在更苛刻的环境中使用，并且老化时间更小。聚合物还可以轻松创建具有这些有趣等离子体特性的尺寸截然不同的三维物体。
聚合物、纳米颗粒和光之间的这种独特相互作用可用于实现定制效果，可能用于各种产品。不同类型的聚合物和金属为复合材料贡献不同的性能，可以根据特定应用进行定制。