Holografiske metasurface-gassensorer til øjeblikkelige visuelle alarmer

Biologiske og kemiske stoffer kan hurtigt detekteres i realtid til folkesundheds- og miljøovervågningsformål. I en ny rapport nu på Videnskabens fremskridt , Inki Kim og et forskerhold i maskinteknik, materialevidenskab og elektroteknik i Republikken Korea og i Pakistan foreslog en kompakt sensorplatform til at integrere flydende krystaller (LC'er) og holografiske metaoverflader for at fornemme eksistensen af ​​en flygtig gas, og derefter give en øjeblikkelig visuel holografisk alarm. Holdet kombinerede opsætningen til at danne ultrakompakte gassensorer uden komplekse instrumenter for at detektere gas via visuelle signaler. Forskerne beviste anvendeligheden af ​​de kompakte sensorer ved at integrere den metasurface-baserede gassensor på sikkerhedsbriller via en et-trins nanocasting-proces.

Flydende krystal integrerede metaoverflader

Materialeforskere har udtænkt en række forskellige metoder til at detektere målstoffer og deres tilsvarende sensorplatforme, herunder elektriske, ændringer i optiske og radiofrekvens- eller mikrobølgesignaler. Blandt sensorerne, flydende krystal-baserede sensorer er velegnede på grund af deres følsomhed og hurtige detektion i realtid. I dette arbejde, Kim et al. foreslået en kompakt sensorplatform, der kombinerede flydende krystaller med holografiske metasurfaces kendt som LC-integrerede metasurfaces (LC-MS) for at registrere en flygtig gas og give øjeblikkelig feedback via en visuel holografisk alarm. Metoden integrerede fordelene ved stimuli-responsiviteten af ​​flydende krystaller og kompaktheden af ​​metaoverflader, samtidig med at effektiviteten af ​​sensoren maksimeres ved at give gasfølende konformation. Holdet udviklede metasurface-hologrammet ved hjælp af hydrogeneret amorft silicium (a-Si:H) designet til at reproducere forskellige holografiske billeder baseret på den geometriske og udbredelsesfase af hver nanostruktur. Afhængigt af tilstedeværelsen eller fraværet af flygtige gasser, opsætningen kunne transmittere forskellige polarisationstilstande af lys.

Holdet regulerede den molekylære rækkefølge af flydende krystaller gennem en række eksterne stimuli. Kim et al. først observeret og karakteriseret gasfølsomheden af ​​LC'er i den enkleste geometri. For at opnå dette, de fyldte en mikrobrøndstruktur med nematik (vedrørende, eller er fasen af ​​en flydende krystal). Under forsøgene, forskerne brugte en isopropylalkohol (IPA)-gas som mål for farlig gas til påvisning. Da de eksponerede IPA-gas i en konstant koncentration i en lukket kammercelle, den gik fra hvid til farvet. Resultaterne indikerede LC-cellens evne til straks at detektere giftige gasser. Holdet udførte derefter eksperimenter med en række gasser med forskellige dosisbetingelser for at måle detektionstidsrammer på omkring 1,3 sekunder for chloroform, 1,6 sekunder for acetone, 13,9 sekunder for IPA-gas og 58,3 sekunder for methanol. Med højere doser, de observerede hurtigere svarprocenter.

Design af spin-kodede meta-hologrammer med asymmetrisk spin-orbit interaktion.

Forskerne designede den spin-kodede metasurface baseret på den konventionelle Pancharatnam-Berry (PB)-fasemodulationsmetode for at forstå symmetrien, der er forbundet med spin og grader af interaktion. Den resulterende samlede effektivitet af enheden var kun 50 procent. For at overvinde tab af optisk energi, teamet designede metaoverfladen via spin-kodning gennem asymmetrisk kobling til at fungere for det venstre cirkulært polariserede (LCP) lys og det højre cirkulært polariserede (RCP) lys for at hjælpe med at bryde den konventionelle effektivitetsgrænse. Indeslutningen af ​​magneto-elektriske resonanser i nano-antennerne validerede optimeringsproceduren. Holdet valgte størrelsen af ​​nanoantennerne afhængigt af deres evne til at bevare en høj transmissionseffektivitet og et fast inkrementelt faseskift. De udviklede hologrammer for sikre (smiley) og alarmtilstande (udråbstegn) opnået fra den designet asymmetriske koblede metasurface. For at validere funktionaliteten af ​​den asymmetriske koblede metasurface, Kim et al. numerisk simuleret et metalogram med kommercielt tilgængelig fuldbølge elektromagnetisk simuleringssoftware - Lumerical Inc.

Holografiske gassensorer og bærbare applikationer

Forskerne visualiserede gaseksponering i realtid ved hjælp af det gasfølsomme LC-MS-system. De testede derefter følekapaciteten, de hurtige omskiftningshastigheder af det holografiske billede og høje diffraktionseffektivitet af gassensoren i den optiske opsætning ved eksponering for en flygtig gas. Kim et al. brugt en allestedsnærværende flygtig gaskilde, dvs. en tavlepen indeholdende forskellige organiske opløsningsmidler, herunder IPA (isopropylalkohol). Metalogram-enhederne indeholdt en a-Si:H nanoantenne. I fravær af den flygtige gas, sensoren projicerede et smilende holografisk billede som et sikkerhedsskilt. Ved gaseksponering, tegnet skiftede øjeblikkeligt til et udråbstegn for at give et "alarmtegn." Denne proces fandt sted, da flygtige gasser fra pennen diffunderede ind i det flydende krystallag, hvilket reducerede den optiske retardans for at konvertere polarisering af udgangspolarisationsstrålen fra RCP (højre cirkulært polariseret lys) til LCP (venstre cirkulært polariseret lys). Da holdet fjernede gassen, hologrammet vendte hurtigt tilbage til sit sikkerhedstegn, da de flydende krystaller vendte tilbage til deres oprindelige orientering. Processen kunne forekomme inden for et par sekunder, og afstanden mellem markøren og sensoren påvirkede ikke responstiden. Denne type sensor vil have applikationer til at detektere eksponeringen af ​​skadelige gasser under transport eller gasfølsomt produktopbevaring. Teamet kan også udvide applikationen ved at udvikle bærbare enheder baseret på fleksible metaoverflader dannet via en et-trins nanocasting-proces. I modsætning til konventionel nanoprint, Kim et al. inkluderet en funktionaliseret ultraviolet (UV)-hærdelig harpiks med titaniumoxid-nanopartikler som en harpikskomposit til brug som en dielektrisk metaoverflade under processen, uden at bruge komplekse processer af nanofabrikation. Denne proces er også velegnet til masseproduktion.

Som proof of concept, de trykte derefter en fleksibel og konform holografisk gassensor på en fleksibel polyethylenterephthalat (PET) film og fastgjorde den til overfladen af ​​sikkerhedsbriller. Holdet optimerede derefter parametrene for nanopartikel-harpiks-kompositmetaoverfladen til 532 nm bølgelængde indfaldende lys, selvom konstruktionen også fungerede på tværs af et bredere spektrum af bølgelængder. På denne måde Kim et al. udviklet en tydelig holografisk alarm. I fremtiden, de kan miniaturisere og integrere den foreslåede fleksible og konforme gassensor for fuldt ud at etablere bærbare og kompakte gassensorer. Disse sensorer fungerede uden yderligere komplekse mekaniske og elektroniske enheder for at muliggøre billige bærbare gassensorer, der kan integreres i fabrikker, konstruktions- og rengøringsapplikationer. Enheden kan også fungere i reflekterende tilstand ved at bruge omgivende lys i stedet for en intern lyskilde for at udvikle billigere, enklere og miniaturiserede sensorplatforme.

Outlook

På denne måde Inki Kim og kolleger foreslog generelle og alsidige designregler for at realisere potentialet i dynamisk afstembare og stimuli-responsive metasurface-systemer. Den foreslåede LC-MS gassensorplatform leverede et hurtigt visuelt alarmsystem velegnet til at detektere giftige gasser, holdet verificerede de designede gassensorer i forhold til deres praktiske og gennemførlighed til at danne en ultrakompakt, omkostningseffektivt og brugervenligt gassensorsystem, der fungerede uden komplekse krav. Systemet er anvendeligt som bærbare sensorer for at forhindre gasforgiftningsulykker, hvor sensoren kan monteres på handsker eller briller for at give en hurtig visuel advarsel via holografiske alarmer.

© 2021 Science X Network