韓國研發(fā)可感測揮發(fā)性氣體的可視化氣體傳感器平臺

非對稱耦合超表面的數(shù)值優(yōu)化

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)(Pohang University of Science and Technology)Inki Kim領(lǐng)導(dǎo)的一組橫跨機(jī)械工程、材料科學(xué)和電氣工程等多學(xué)科的國際研究團(tuán)隊(duì)，結(jié)合液晶(LC)和全息超表面技術(shù)，開發(fā)了一款緊湊型氣體傳感器平臺，可以感測揮發(fā)性氣體并立即提供可視化的全息警報(bào)，有望用于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域生化物質(zhì)的快速檢測。該研究成果已發(fā)表于Science Advances。

研究小組整合液晶和全息超表面元件構(gòu)建了這款超緊湊的氣體傳感器，無需復(fù)雜的檢測儀器，就可以通過可視化的全息圖像實(shí)現(xiàn)氣體檢測。此外，研究人員利用一步納米鑄造工藝，將這款基于超表面的氣體傳感器集成到安全護(hù)目鏡上，證明了這種緊湊型傳感器的適用性。

液晶集成超表面(LC-MS)

迄今，材料科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了電、光、射頻或微波等多種方法來探測目標(biāo)物質(zhì)，構(gòu)建了相應(yīng)的傳感器平臺。在這些傳感器中，基于液晶的傳感器具有靈敏度高、實(shí)時(shí)檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。在本研究中，Kim等人提出了將液晶傳感與全息超表面整合的緊湊型氣體傳感器平臺，稱為液晶集成超表面(LC-MS)，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性氣體檢測的同時(shí)，通過視覺全息警報(bào)提供即時(shí)反饋。

該方法綜合了液晶的響應(yīng)特性和超表面的緊湊性優(yōu)勢，同時(shí)通過提供氣敏構(gòu)象來最大化傳感器的有效性。該研究小組利用氫化非晶硅(a-Si:H)開發(fā)了超表面全息圖，可以通過每個(gè)納米結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和傳播相位來再現(xiàn)不同的全息圖像。根據(jù)揮發(fā)性氣體的存在檢測結(jié)果，這款傳感器可以傳輸不同偏振狀態(tài)的光。

氣敏液晶(LC)單元設(shè)計(jì)及其光學(xué)響應(yīng)

氣敏液晶單元設(shè)計(jì)

研究小組通過各種外部刺激來調(diào)節(jié)液晶的分子順序。Kim及其研究團(tuán)隊(duì)首先在最簡單的幾何結(jié)構(gòu)中觀察并表征了液晶的氣體響應(yīng)特性。為此，他們用向列相液晶填充微阱結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)家們使用異丙醇(IPA)氣體作為目標(biāo)有害氣體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明這種氣敏液晶單元具有快速檢測有害氣體的能力。然后，研究小組對一系列不同含量的氣體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以測量檢測時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果例如：氯仿為1.3秒，丙酮為1.6秒，異丙醇為13.9秒，甲醇為58.3秒。隨著氣體濃度的增加，氣敏液晶單元的響應(yīng)速率越快。

設(shè)計(jì)具有非對稱自旋軌道相互作用的自旋編碼超表面全息圖。

當(dāng)不存在有害氣體時(shí)，全息圖呈現(xiàn)“笑臉”安全標(biāo)志;而當(dāng)存在有害氣體時(shí)，全息圖呈現(xiàn)“感嘆號”的警報(bào)標(biāo)志

該研究小組基于傳統(tǒng)的Pancharatnam-Berry(PB)相位調(diào)制方法設(shè)計(jì)了自旋編碼的超表面，以研究自旋固有的對稱性和相互作用。該器件的最終總效率僅為50%。為了克服光能損失，研究小組利用非對稱耦合設(shè)計(jì)了通過自旋編碼超表面以實(shí)現(xiàn)左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)顯示不同信號的功能，幫助打破傳統(tǒng)的效率限制。

納米天線中的磁電諧振限制驗(yàn)證了優(yōu)化過程。研究小組根據(jù)高傳輸效率和固定增量相移來選擇納米天線的尺寸。他們開發(fā)了從不對稱耦合超表面獲得的安全(笑臉)和警報(bào)(感嘆號)全息圖。為了驗(yàn)證非對稱耦合超表面的功能性，Kim等人使用了Lumerical公司的商用全波電磁模擬軟件對超表面全息圖進(jìn)行數(shù)值模擬。

全息氣體傳感器及其應(yīng)用

研究人員利用這款LC-MS氣體傳感系統(tǒng)對有害氣體暴露進(jìn)行了實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)。他們在光學(xué)裝置中，用含有多種有機(jī)溶劑(包括異丙醇)的白板記號筆，測試了這款傳感器暴露于揮發(fā)性有害氣體中的傳感能力、全息圖像的快速切換速率和高衍射效率。

超表面全息器件包含一個(gè)a-Si:H納米天線。在環(huán)境中沒有揮發(fā)性氣體的情況下，傳感器投射出一個(gè)笑臉全息圖像作為安全標(biāo)志。當(dāng)感測到揮發(fā)性氣體時(shí)，這個(gè)標(biāo)志立即變成一個(gè)感嘆號警報(bào)標(biāo)志。當(dāng)記號筆中的揮發(fā)性氣體擴(kuò)散到液晶層時(shí)，降低了光學(xué)延遲，將輸出偏振光從RCP轉(zhuǎn)換為LCP，從而實(shí)現(xiàn)了全息顯示的變化。

當(dāng)研究小組移除揮發(fā)性氣體后，隨著液晶恢復(fù)到最初的方向，全息顯示迅速恢復(fù)為笑臉安全標(biāo)志。這一過程可能在幾秒鐘內(nèi)完成，記號筆與傳感器的距離不會影響響應(yīng)時(shí)間。因此，這種類型的傳感器可以應(yīng)用于氣敏產(chǎn)品儲存或運(yùn)輸期間有害氣體的暴露檢測。

該團(tuán)隊(duì)還通過一步納米鑄造工藝制成的柔性超表面，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域擴(kuò)展了應(yīng)用。與傳統(tǒng)納米印刷工藝不同，Kim及其研究團(tuán)隊(duì)沒有采用復(fù)雜的納米制造工藝，而是將一種功能紫外(UV)固化樹脂與氧化鈦納米顆粒作為樹脂復(fù)合物，在工藝過程中用作介電超表面。該工藝適于大批量生產(chǎn)。

LC-MS氣體傳感器實(shí)驗(yàn)演示

原型驗(yàn)證

作為概念原型驗(yàn)證，研究人員在柔性聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上印制了一個(gè)柔性保形全息氣體傳感器，并將其貼在護(hù)目鏡表面。研究小組隨后針對532 nm波長的入射光進(jìn)行了納米顆粒-樹脂復(fù)合超表面的參數(shù)優(yōu)化(當(dāng)然，該結(jié)構(gòu)也可用于更寬的波長范圍)。就這樣，Kim等人開發(fā)了一款清晰的全息報(bào)警護(hù)目鏡。

未來，他們將對這種柔性、共形氣體傳感器進(jìn)一步微型化和集成研究，以構(gòu)建一款完整的可穿戴緊湊型氣體傳感器。這類傳感器無需任何額外的復(fù)雜機(jī)械或電子設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)低成本的可穿戴氣體傳感，可廣泛用于工廠、建筑和清潔等氣體監(jiān)測應(yīng)用。此外，這類傳感器還可以在反射模式下工作，通過使用環(huán)境光代替內(nèi)部光源來開發(fā)更經(jīng)濟(jì)、更簡單且小型化的傳感器平臺。

柔性LC-MS氣體傳感器，以及集成該傳感器的護(hù)目鏡