Biologiska och kemiska ämnen kan snabbt detekteras i realtid för folkhälso- och miljöövervakningsändamål. I en ny rapport nu på Vetenskapens framsteg , Inki Kim och ett forskarteam inom maskinteknik, materialvetenskap och elektroteknik i Republiken Korea och i Pakistan föreslog en kompakt sensorplattform för att integrera flytande kristaller (LC) och holografiska metasytor för att känna av förekomsten av en flyktig gas, och sedan ge ett omedelbart visuellt holografiskt larm. Teamet kombinerade upplägget för att bilda ultrakompakta gassensorer utan komplexa instrument för att upptäcka gas via visuella signaler. Forskarna bevisade användbarheten av de kompakta sensorerna genom att integrera den metasytebaserade gassensorn på skyddsglasögon via en nanocasting-process i ett steg.

Flytande kristall integrerade metasytor

Materialforskare har utarbetat en mängd olika metoder för att upptäcka målämnen och deras motsvarande sensorplattformar inklusive elektriska, optiska och radiofrekvens- eller mikrovågssignalförändringar. Bland sensorerna, flytande kristallbaserade sensorer är lämpliga på grund av deras känslighet och snabba detektering i realtid. I det här arbetet, Kim et al. föreslog en kompakt sensorplattform som kombinerade flytande kristaller med holografiska metasytor som kallas LC-integrerade metasytor (LC-MS) för att känna av en flyktig gas och ge omedelbar feedback via ett visuellt holografiskt larm. Metoden integrerade fördelarna med stimulans känslighet hos flytande kristaller och kompaktheten hos metasytor, samtidigt som sensorns effektivitet maximeras genom att tillhandahålla gasavkännande konformation. Teamet utvecklade metasythologrammet med hjälp av hydrerat amorft kisel (a-Si:H) designat för att reproducera olika holografiska bilder baserat på den geometriska och utbredningsfasen för varje nanostruktur. Beroende på närvaron eller frånvaron av flyktiga gaser, installationen kan sända olika polarisationstillstånd av ljus.

Teamet reglerade den molekylära ordningen för flytande kristaller genom en mängd olika yttre stimuli. Kim et al. först observerade och karakteriserade gaskänsligheten hos LCs i den enklaste geometrin. För att åstadkomma detta, de fyllde en mikrobrunnsstruktur med nematik (relaterat till, eller är fasen av en flytande kristall). Under experimenten, forskarna använde en isopropylalkohol (IPA)-gas som ett mål för farlig gas för upptäckt. När de exponerade IPA-gas i en konstant koncentration i en sluten kammarcell, den övergick från vitt till färgat. Resultaten indikerade LC-cellens förmåga att omedelbart detektera giftiga gaser. Teamet genomförde sedan experiment med en rad gaser med olika dosförhållanden för att mäta detektionstidsramar på cirka 1,3 sekunder för kloroform, 1,6 sekunder för aceton, 13,9 sekunder för IPA-gas och 58,3 sekunder för metanol. Med högre doser, de observerade snabbare svarsfrekvens.

Designa spin-kodade meta-hologram med asymmetrisk spin-orbit interaktion.

Forskarna designade den spinnkodade metaytan baserat på den konventionella Pancharatnam-Berry (PB)-fasmoduleringsmetoden för att förstå symmetrin som är inneboende i spinn och grader av interaktion. Den resulterande totala effektiviteten för enheten var endast 50 procent. För att övervinna optisk energiförlust, teamet designade metaytan via spin-kodning genom asymmetrisk koppling för att fungera för det vänstra cirkulärt polariserade (LCP) ljuset och det högra cirkulärt polariserade (RCP) ljuset för att hjälpa till att bryta den konventionella effektivitetsgränsen. Instängningen av magneto-elektriska resonanser inom nano-antennerna validerade optimeringsproceduren. Teamet valde storleken på nanoantennerna beroende på deras förmåga att behålla en hög överföringseffektivitet och en fast inkrementell fasförskjutning. De utvecklade hologram för säkra (smiley) och larmtillstånd (utropstecken) erhållna från den designade asymmetriskt kopplade metaytan. För att validera funktionaliteten hos den asymmetriska kopplade metaytan, Kim et al. numeriskt simulerat ett metaloggram med kommersiellt tillgänglig helvågsmjukvara för elektromagnetisk simulering — Lumerical Inc.

Holografiska gassensorer och bärbara applikationer

Forskarna visualiserade gasexponering i realtid med hjälp av det gaskänsliga LC-MS-systemet. De testade sedan avkänningskapaciteten, de snabba omkopplingshastigheterna för den holografiska bilden och den höga diffraktionseffektiviteten hos gassensorn i den optiska uppsättningen vid exponering för en flyktig gas. Kim et al. använde en allestädes närvarande flyktig gaskälla, dvs. en kartongpenna som innehåller olika organiska lösningsmedel inklusive IPA (isopropylalkohol). Metalogramenheterna innehöll en a-Si:H nanoantenn. I frånvaro av den flyktiga gasen, sensorn projicerade en leende holografisk bild som ett säkerhetstecken. Vid gasexponering, tecknet bytte omedelbart till ett utropstecken för att ge ett "larmtecken." Denna process inträffade när flyktiga gaser från pennan diffunderade in i det flytande kristallskiktet, vilket minskade den optiska retardansen för att omvandla polariseringen av den utgående polarisationsstrålen från RCP (höger cirkulärt polariserat ljus) till LCP (vänster cirkulärt polariserat ljus). När teamet tog bort gasen, hologrammet återställde sig snabbt till sitt säkerhetstecken, när de flytande kristallerna återgick till sin initiala orientering. Processen kunde inträffa inom några sekunder och markörens avstånd från sensorn påverkade inte svarstiden. Denna typ av sensor kommer att ha tillämpningar för att upptäcka exponering av skadliga gaser under transport eller gaskänslig produktlagring. Teamet kan också utöka applikationen genom att utveckla bärbara enheter baserade på flexibla metasytor som bildas via en nanocasting-process i ett steg. Till skillnad från konventionella nanotryck, Kim et al. inkluderade ett funktionaliserat ultraviolett (UV)-härdbart harts med titanoxidnanopartiklar som en hartskomposit för användning som en dielektrisk metayta under processen, utan att använda komplexa processer för nanotillverkning. Denna process är också lämpad för massproduktion.

Som proof of concept, de tryckte sedan en flexibel och konform holografisk gassensor på en flexibel polyetylentereftalat (PET) film och fäste den på ytan av skyddsglasögon. Teamet optimerade sedan parametrarna för nanopartikel-hartskompositmetaytan för 532 nm våglängd infallande ljus, även om konstruktionen också fungerade över ett bredare våglängdsområde. På det här sättet, Kim et al. utvecklat ett tydligt holografiskt larm. I framtiden, de kan miniatyrisera och integrera den föreslagna flexibla och konforma gassensorn för att fullt ut etablera bärbara och kompakta gassensorer. Dessa sensorer fungerade utan några ytterligare komplexa mekaniska och elektroniska enheter för att möjliggöra billiga bärbara gassensorer som kan integreras i fabriker, bygg- och rengöringsapplikationer. Enheten kan också fungera i reflekterande läge genom att använda omgivande ljus istället för en intern ljuskälla för att utveckla billigare, enklare och miniatyriserade sensorplattformar.

Syn

På det här sättet, Inki Kim och kollegor föreslog generella och mångsidiga designregler för att realisera potentialen hos dynamiskt inställbara och stimuli-responsiva metasytesystem. Den föreslagna LC-MS gassensorplattformen tillhandahöll ett snabbt visuellt larmsystem lämpat för att upptäcka giftiga gaser, teamet verifierade de designade gassensorerna i förhållande till deras praktiska och genomförbarhet för att bilda en ultrakompakt, kostnadseffektivt och användarvänligt gassensorsystem som fungerade utan komplexa krav. Systemet kan användas som bärbara sensorer för att förhindra gasförgiftningsolyckor där sensorn kan monteras på handskar eller glasögon för att ge en omedelbar visuell varning via holografiska larm.

© 2021 Science X Network