Wetenschappers van Trinity en AMBER, het SFI Research Center for Advanced Materials and BioEngineering Research, hebben een manier ontdekt om kleine kleurveranderende gassensoren te fabriceren met behulp van nieuwe materialen en een vorm van 3D-printen met hoge resolutie.

De sensoren - responsieve, gedrukt, microscopische optische structuren - kunnen in realtime worden gevolgd, en gebruikt voor de detectie van oplosmiddeldampen in lucht. Er is een groot potentieel voor deze sensoren om te worden gebruikt in verbonden, goedkope apparaten voor thuis, of geïntegreerd in draagbare apparaten die worden gebruikt om de menselijke gezondheid te bewaken.

De meeste mensen brengen een groot deel van hun leven binnenshuis door, auto's, of werkomgevingen, dus het vermogen om de niveaus van verontreinigende stoffen goedkoop en nauwkeurig te monitoren, bijvoorbeeld, zou een game-changer kunnen zijn in een gezondheids- en welzijnscontext.

Het werk werd geleid door Larisa Florea, Universitair docent aan Trinity's School of Chemistry, en hoofdonderzoeker bij AMBER, in samenwerking met Louise Bradley, Professor in Trinity's School of Physics, en uitgevoerd in CRANN, het Trinity Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices. Een industriële medewerker en leider op het gebied van gasdetectie, Dr. Radislav Potyrailo van GE Research, Niskayuna New York, is ook overal bij betrokken geweest.

De resultaten van het team zijn zojuist gepubliceerd als onderdeel van een speciale uitgave waarin het werk van professor Florea als opkomend onderzoeker in de Journal of Materials Chemistry C .

Hoofdauteur van het tijdschriftartikel, Dr. Colm Delaney, van Trinity's School of Chemistry and Research Fellow bij AMBER, zei:

"Meer dan 300 jaar geleden, Robert Hooke onderzocht eerst de levendige kleuren op de vleugel van een pauw. Pas eeuwen later ontdekten wetenschappers dat de bruisende kleuring niet werd veroorzaakt door traditionele pigmenten, maar door de interactie van licht met kleine voorwerpen op de veer, objecten die slechts een paar miljoenste van een meter groot waren.

"We hebben dit biologische ontwerp genomen, helemaal gezien van een ekster tot een kameleon, om echt spannende materialen te maken. We bereiken dit door gebruik te maken van een techniek die bekend staat als Direct laser-writing (DLW), waarmee we een laser op een extreem kleine plek kunnen focussen, en om het vervolgens te gebruiken om kleine structuren in drie dimensies te maken van de zachte polymeren die we in het lab ontwikkelen."

Medewerker aan het project, hoogleraar fotonica aan Trinity, Louise Bradley, een gefinancierde onderzoeker bij AMBER, toegevoegd:

"Het onderzoek dat we tussen de twee groepen doen, richt zich op design, modellering, en fabricage van deze kleine structuren in op stimuli reagerende materialen. Jing Qian, een fantastische Ph.D. student in mijn lab heeft veel tijd besteed aan het ontwikkelen van ontwerpen, en het voorspellen van de respons van verschillende structuren, die we kunnen laten reageren op licht, warmte, en vochtigheid om systemen te creëren die echt de levendigheid, stiekeme reactie, en camoufleervermogen in de natuur. De kleine responsieve arrays, die kleiner zijn dan een sproet, kan worden gebruikt om ons enorm veel te vertellen over de chemie van hun omgeving."

Waarom zijn klein, gekleurde sensoren nuttig? Terwijl traditionele fysieke sensoren een markt voor verbonden wonen hebben versterkt, er is een achterstand in goedkope, aanpasbare chemische detectieplatforms die kunnen worden gebruikt.

Fotonische sensoren hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in het opleveren van nauwkeurige en robuuste alternatieven, met minimaal stroomverbruik, lage bedrijfskosten en hoge gevoeligheid. Dit is een gebied waar Dr. Potyrailo en GE Research jarenlang aan hebben gewerkt om het op de markt te brengen.

Professor Larisa Florea, van Trinity's School of Chemistry en AMBER, zei:

"We hebben responsieve, gedrukt, microscopische optische structuren die in realtime kunnen worden gevolgd, en gebruikt voor de detectie van gassen. De mogelijkheid om zo'n optisch responsief materiaal te printen heeft een groot potentieel voor hun opname in verbonden, goedkope detectieapparaten voor thuis, of in draagbare apparaten voor het monitoren van analyten.

"We brengen het grootste deel van ons leven binnenshuis door, auto's, of werkomgevingen. Modellen suggereren dat de concentratie van verontreinigende stoffen 5-100 keer de concentratie buiten kan zijn. Dit is een beklijvende gedachte als we bedenken dat de Wereldgezondheidsorganisatie suggereert dat 90% van de wereldbevolking in gebieden leeft die de aanvaardbare luchtnormen overschrijden. Deze verontreinigende stoffen kunnen worden beïnvloed door de omgevingslucht, chemische aanwezigheid, geuren, Voedselkwaliteit, en menselijke activiteit en hebben een diepgaand effect op onze gezondheid.

"Daten, gassensoren voor binnenshuis hebben zich bijna uitsluitend gericht op lekkage, rook, en kooldioxidedetectie. Zelfs iteratieve vorderingen, om relatieve vochtigheid op te nemen, zuurstof niveaus, kooldioxide, vluchtige organische koolstoffen (VOS), en ammoniak op een realtime manier zou een enorme rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van een binnenlands milieumonitoring-ecosysteem. Dit zou ervoor kunnen zorgen dat monitoring van gezondheid en welzijn centraal wordt in de toekomst van woningbouw en automatisering."