Biologische en chemische stoffen kunnen snel en in realtime worden gedetecteerd voor monitoringdoeleinden op het gebied van de volksgezondheid en het milieu. In een nieuw verslag nu op wetenschappelijke vooruitgang , Inki Kim en een onderzoeksteam in werktuigbouwkunde, materiaalwetenschap en elektrotechniek in de Republiek Korea en in Pakistan hebben een compact sensorplatform voorgesteld om vloeibare kristallen (LC's) en holografische meta-oppervlakken te integreren om het bestaan ​​van een vluchtig gas te detecteren, en geef vervolgens een onmiddellijk visueel holografisch alarm. Het team combineerde de opstelling om ultracompacte gassensoren te vormen zonder complexe instrumenten om gas te detecteren via visuele aanwijzingen. De onderzoekers bewezen de toepasbaarheid van de compacte sensoren door de metasurface-gebaseerde gassensor op een veiligheidsbril te integreren via een nanocasting-proces in één stap.

Geïntegreerde meta-oppervlakken met vloeibare kristallen

Materiaalwetenschappers hebben een verscheidenheid aan methoden bedacht om doelstoffen en de bijbehorende sensorplatforms te detecteren, waaronder elektrische, optische en radiofrequentie- of microgolfsignaalveranderingen. Onder de sensoren, op vloeibare kristallen gebaseerde sensoren zijn geschikt vanwege hun gevoeligheid en snelle detectie in realtime. In dit werk, Kim et al. stelde een compact sensorplatform voor dat vloeibare kristallen combineerde met holografische meta-oppervlakken die bekend staan ​​als LC-geïntegreerde meta-oppervlakken (LC-MS) om een ​​vluchtig gas te detecteren en onmiddellijke feedback te geven via een visueel holografisch alarm. De methode integreerde de voordelen van de stimuli-responsiviteit van vloeibare kristallen en de compactheid van meta-oppervlakken, terwijl de effectiviteit van de sensor wordt gemaximaliseerd door te zorgen voor conformatie met gasdetectie. Het team ontwikkelde het metasurface-hologram met behulp van gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si:H), ontworpen om verschillende holografische afbeeldingen te reproduceren op basis van de geometrische en propagatiefase van elke nanostructuur. Afhankelijk van de aan- of afwezigheid van vluchtige gassen, de opstelling kan verschillende polarisatietoestanden van licht uitzenden.

Het team reguleerde de moleculaire volgorde van vloeibare kristallen door middel van een verscheidenheid aan externe stimuli. Kim et al. observeerde en karakteriseerde voor het eerst de gasrespons van LC's in de eenvoudigste geometrie. Om dit te bereiken, ze vulden een microwellstructuur met nematica (met betrekking tot, of zijnde de fase van een vloeibaar kristal). Tijdens de experimenten, de wetenschappers gebruikten een isopropylalcohol (IPA) -gas als een gevaarlijk doelgas voor detectie. Toen ze IPA-gas met een constante concentratie in een gesloten kamercel blootstelden, het is overgegaan van wit naar gekleurd. De resultaten wezen op het vermogen van de LC-cel om giftige gassen onmiddellijk te detecteren. Het team voerde vervolgens experimenten uit met een reeks gassen met verschillende dosisomstandigheden om de detectietijdspannes van ongeveer 1,3 seconden voor chloroform te meten, 1,6 seconden voor aceton, 13,9 seconden voor IPA-gas en 58,3 seconden voor methanol. Bij hogere doseringen ze observeerden snellere responspercentages.

Ontwerpen van spin-gecodeerde meta-hologrammen met asymmetrische spin-baan interactie.

De wetenschappers ontwierpen het spin-gecodeerde meta-oppervlak op basis van de conventionele Pancharatnam-Berry (PB)-fasemodulatiemethode om de symmetrie die inherent is aan spin en de mate van interactie te begrijpen. De resulterende totale efficiëntie van het apparaat was slechts 50 procent. Om optisch energieverlies te overwinnen, het team ontwierp het meta-oppervlak via spincodering via asymmetrische koppeling om te functioneren voor het links circulair gepolariseerde (LCP) licht en rechts circulair gepolariseerd (RCP) licht om de conventionele efficiëntielimiet te helpen doorbreken. De opsluiting van magneto-elektrische resonanties binnen de nano-antennes valideerde de optimalisatieprocedure. Het team selecteerde de grootte van de nanoantennes afhankelijk van hun vermogen om een ​​hoge transmissie-efficiëntie en een vaste incrementele faseverschuiving te behouden. Ze ontwikkelden hologrammen voor veilige (smiley face) en alarmtoestanden (uitroepteken) verkregen uit het ontworpen asymmetrische gekoppelde meta-oppervlak. Om de functionaliteit van het asymmetrische gekoppelde meta-oppervlak te valideren, Kim et al. numeriek een metahologram gesimuleerd met commercieel beschikbare full-wave elektromagnetische simulatiesoftware-Lumerical Inc.

Holografische gassensoren en draagbare toepassingen

De wetenschappers visualiseerden realtime gasblootstelling met behulp van het gasresponsieve LC-MS-systeem. Vervolgens testten ze de detectiecapaciteit, de hoge schakelsnelheden van het holografische beeld en de hoge diffractie-efficiëntie van de gassensor in de optische opstelling bij blootstelling aan een vluchtig gas. Kim et al. gebruikte een alomtegenwoordige bron van vluchtig gas, d.w.z. een bordmarkeerstift die verschillende organische oplosmiddelen bevat, waaronder IPA (isopropylalcohol). De metahologram-apparaten bevatten een a-Si:H-nanoantenne. Bij afwezigheid van het vluchtige gas, de sensor projecteerde een lachend holografisch beeld als veiligheidsteken. Bij blootstelling aan gas, het teken veranderde onmiddellijk in een uitroepteken om een ​​'alarmteken' te geven. die de optische vertraging verminderde om de polarisatie van de uitgangspolarisatiebundel van RCP (rechts circulair gepolariseerd licht) naar LCP (links circulair gepolariseerd licht) om te zetten. Toen het team het gas verwijderde, het hologram herstelde zich snel tot zijn veiligheidsteken, terwijl de vloeibare kristallen terugkeerden naar hun oorspronkelijke oriëntatie. Het proces kon binnen enkele seconden plaatsvinden en de afstand van de marker tot de sensor had geen invloed op de responstijd. Dit type sensor zal toepassingen hebben om de blootstelling van schadelijke gassen te detecteren tijdens transport of gasgevoelige productopslag. Het team kan de toepassing ook uitbreiden door draagbare apparaten te ontwikkelen op basis van flexibele meta-oppervlakken die zijn gevormd via een nanocasting-proces in één stap. In tegenstelling tot conventionele nanoprinten, Kim et al. omvatte een gefunctionaliseerde ultraviolet (UV)-uithardbare hars met titaniumoxide nanodeeltjes als een harscomposiet voor gebruik als een diëlektrisch meta-oppervlak tijdens het proces, zonder gebruik te maken van complexe processen van nanofabricage. Dit proces is ook geschikt voor massaproductie.

Als proof-of-concept, ze printten vervolgens een flexibele en conforme holografische gassensor op een flexibele polyethyleentereftalaat (PET) film en bevestigden die aan het oppervlak van een veiligheidsbril. Het team optimaliseerde vervolgens de parameters van het nanodeeltjes-hars composiet meta-oppervlak voor invallend licht met een golflengte van 532 nm, hoewel het construct ook functioneerde over een breder bereik van golflengten. Op deze manier, Kim et al. ontwikkelde een duidelijk holografisch alarm. In de toekomst, ze kunnen de voorgestelde flexibele en conforme gassensor miniaturiseren en integreren om draagbare en compacte gassensoren volledig tot stand te brengen. Deze sensoren functioneerden zonder extra complexe mechanische en elektronische apparaten om goedkope draagbare gassensoren mogelijk te maken die in fabrieken kunnen worden geïntegreerd, bouw- en reinigingstoepassingen. Het apparaat kan ook in reflecterende modus functioneren door omgevingslicht te gebruiken in plaats van een interne lichtbron om goedkoper, eenvoudigere en geminiaturiseerde sensorplatforms.

Outlook

Op deze manier, Inki Kim en collega's stelden algemene en veelzijdige ontwerpregels voor om het potentieel van dynamisch afstembare en op stimuli reagerende metasurface-systemen te realiseren. Het voorgestelde LC-MS-gassensorplatform bood een snel visueel alarmsysteem dat geschikt was om giftige gassen te detecteren, het team verifieerde de ontworpen gassensoren op hun bruikbaarheid en haalbaarheid om een ​​ultracompacte, kosteneffectief en gebruiksvriendelijk gassensorsysteem dat werkte zonder complexe vereisten. Het systeem is toepasbaar als draagbare sensoren om ongevallen met gasvergiftiging te voorkomen, waarbij de sensor op handschoenen of een bril kan worden gemonteerd om een ​​snelle visuele waarschuwing te geven via holografische alarmen.

© 2021 Science X Network