Gasolyckor som läckage av giftig gas i fabriker, kolmonoxidläckage från pannor, eller giftig gas kvävning under brunnsrengöring fortsätter att kräva liv och orsaka skador. Att utveckla en sensor som snabbt kan upptäcka giftiga gaser eller biokemikalier är fortfarande en viktig fråga inom folkhälsan, miljöövervakning, och militära sektorer. Nyligen, ett forskarlag på POSTECH har utvecklat en billig, ultrakompakt bärbar hologramsensor som omedelbart meddelar användaren om detektering av flyktig gas.

En gemensam forskargrupp ledd av professor Junsuk Rho från avdelningarna för mekanisk och kemiteknik och Dr. Inki Kim från avdelningen för maskinteknik tillsammans med professor Young-Ki Kim och Ph.D. kandidaten Won-Sik Kim vid Institutionen för kemiteknik vid POSTECH har integrerat metasytor med gasreaktiv optisk modulator med flytande kristaller för att utveckla en sensor som ger ett omedelbart visuellt holografiskt larm när skadliga gaser upptäcks. Resultaten från denna studie publicerades i Vetenskapens framsteg den 7 april, 2021.

För dem som arbetar i farliga miljöer som petrokemiska anläggningar, gassensorer är livet. Dock, Konventionella gasavkänningsanordningar används inte i stor utsträckning på grund av deras höga kostnad för att tillverkas med komplexa maskiner och elektroniska anordningar. Dessutom, kommersiella gassensorer har begränsningar genom att de är svåra att använda, och har dålig bärbarhet och reaktionshastighet.

För att lösa dessa problem, forskargruppen använde metaytan, välkänd som en framtida optisk anordning känd för att ha den osynliga manteleffekten genom att få synliga föremål att försvinna genom att kontrollera ljusets brytningsindex. Metasurface används speciellt för att överföra tvåvägshologram eller 3D-videobilder genom att fritt styra ljuset.

Med hjälp av metaytan, forskargruppen utvecklade en gassensor som kan sväva ett holografiskt bildlarm i rymden på bara några sekunder genom att använda polarisationskontrollen av transmitterat ljus som transformeras på grund av förändringen i orienteringen av flytande kristallmolekyler i det flytande kristallskiktet inuti sensoranordningen när de utsätts för gas. Dessutom, denna gassensor som utvecklats av forskargruppen kräver inget stöd från externa mekaniska eller elektroniska enheter, till skillnad från andra konventionella kommersiella gassensorer. Forskarna använde isopropylalkohol som mål för farlig gas, känt som ett giftigt ämne som kan orsaka magsmärtor, huvudvärk, yrsel, och även leukemi.

Det bekräftades att den nyutvecklade sensorn upptäcker även en liten mängd gas på cirka 200 ppm. I ett verkligt experiment med en brädmarkör, en flyktig gaskälla i vårt dagliga liv, ett visuellt holografiskt larm dök upp omedelbart i samma ögonblick som markören fördes till sensorn.

Dessutom, forskargruppen utvecklade en enstegsmetod för nanokomposittryck för att producera denna flexibla och bärbara gassensor. Metasytstrukturen, som tidigare bearbetades på ett hårt underlag, designades för att möjliggöra snabb produktion med en enstegs nanocastingprocess på ett krökt eller flexibelt substrat.

När den flexibla sensorn som tillverkats med denna metod fästs som ett klistermärke på skyddsglasögon, den kan upptäcka gas och visa ett hologramlarm. Den förväntas kunna integreras med AR-displaysystem av glastyp under utveckling hos Apple, Samsung, Google, och Facebook.

Går man ett steg längre, forskargruppen utvecklar en högpresterande miljösensor som kan visa typ och koncentrationsnivå av gaser eller biokemikalier i omgivningen med ett holografiskt larm, och studerar optisk designteknik som kan koda olika holografiska bilder. Om dessa studier är framgångsrika, de kan användas för att minska olyckor orsakade av biokemiska eller gasläckor.

"Denna nyutvecklade ultrakompakta bärbara gassensor ger ett mer intuitivt holografiskt visuellt larm än de konventionella hörsellarmen eller enkla ljuslarmen, ", kommenterade prof. Junsuk Rho. "Det förväntas vara särskilt effektivt i mer extrema arbetsmiljöer där akustiskt och visuellt brus är intensivt."