Forskere skaber 3D-printede, mikroskopiske gassensorer:Malerpaller uden et strejf af pigment

Forskere fra Trinity og AMBER, SFI Research Center for Advanced Materials and Bioengineering Research, har opdaget en måde at fremstille små farveskiftende gassensorer ved hjælp af nye materialer og en højopløselig form for 3D-print.

Sensorerne – responsive, trykt, mikroskopiske optiske strukturer - kan overvåges i realtid, og bruges til påvisning af opløsningsmiddeldampe i luft. Der er et stort potentiale for, at disse sensorer kan bruges i tilsluttede, billige enheder til hjemmet, eller integreret i bærbare enheder, der bruges til at overvåge menneskers sundhed.

De fleste mennesker tilbringer meget af deres liv inde i hjemmet, biler, eller arbejdsmiljøer, så evnen til billigt og præcist at overvåge niveauer af forurenende stoffer, for eksempel, kunne være en game-changer inden for en sundhed og velvære kontekst.

Arbejdet blev ledet af Larisa Florea, Adjunkt ved Trinity's School of Chemistry, og hovedefterforsker hos AMBER, i samarbejde med Louise Bradley, Professor ved Trinity's School of Physics, og udført i CRANN, Trinity Center for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices. En industriel samarbejdspartner og leder inden for gassensing, Dr. Radislav Potyrailo fra GE Research, Niskayuna New York, har også været med hele vejen igennem.

Holdets resultater er netop blevet offentliggjort som en del af et specialnummer, der viser professor Floreas arbejde som en ny efterforsker i Journal of Materials Chemistry C .

Hovedforfatter af tidsskriftsartiklen, Dr. Colm Delaney, fra Trinity's School of Chemistry og Research Fellow på AMBER, sagde:

"For mere end 300 år siden, Robert Hooke undersøgte først de levende farver på en påfugls vinge. Først århundreder senere opdagede forskerne, at den brusende farve ikke var forårsaget af traditionelle pigmenter, men af ​​lysets interaktion med små genstande på fjeren, genstande, der kun var nogle få milliontedele meter store.

"Vi har taget dette biologiske design, set hele vejen fra en skate til en kamæleon, at lave nogle rigtig spændende materialer. Vi opnår dette ved at bruge en teknik kendt som Direct laser-writing (DLW), som giver os mulighed for at fokusere en laser til et ekstremt lille sted, og derefter bruge det til at lave små strukturer i tre dimensioner af de bløde polymerer, som vi udvikler i laboratoriet."

Samarbejdspartner på projektet, Professor i fotonik ved Trinity, Louise Bradley, en finansieret efterforsker hos AMBER, tilføjet:

"Den forskning, vi udfører mellem de to grupper, fokuserer på design, modellering, og fremstilling af disse små strukturer i stimuli-responsive materialer. Jing Qian, en fantastisk ph.d. studerende i mit laboratorium har brugt meget tid på at udvikle designs, og forudsige responsen fra forskellige strukturer, som vi kan få reagere på lys, varme, og fugt for at skabe systemer, der virkelig kan genskabe livligheden, stealth svar, og camoufleringsevne, der findes i naturen. De små responsive arrays, som er mindre end en fregne, kan bruges til at fortælle os enormt meget om kemien i deres miljø."

Hvorfor er små, farvede sensorer nyttige? Mens traditionelle fysiske sensorer har styrket et opkoblet levende marked, der er en forsinkelse i lavpris, tilpasningsdygtige kemisk-sensing platforme, der kan bruges.

Fotoniske sensorer har gjort et betydeligt indhug i at give nøjagtige og robuste alternativer, med minimalt strømforbrug, lave driftsomkostninger og høj følsomhed. Dette er et område, som Dr. Potyrailo og GE Research har arbejdet på at kommercialisere i mange år.

Professor Larisa Florea, fra Trinity's School of Chemistry og AMBER, sagde:

"Vi har skabt responsive, trykt, mikroskopiske optiske strukturer, som kan overvåges i realtid, og bruges til påvisning af gasser. Evnen til at udskrive et sådant optisk responsivt materiale har et dybt potentiale for deres inkorporering i tilsluttede, billige sensorenheder til hjemmet, eller i bærbare enheder til overvågning af analytter.

"Vi tilbringer størstedelen af ​​vores liv inde i vores hjem, biler, eller arbejdsmiljøer. Modeller tyder på, at koncentrationen af ​​forurenende stoffer kan være alt fra 5-100 gange den koncentration, der findes udenfor. Dette er en uhyggelig tanke, når vi tænker på, at Verdenssundhedsorganisationen foreslår, at 90 % af verdens befolkning bor i områder, der overskrider acceptable luftstandardgrænser. Disse forurenende stoffer kan påvirkes af den omgivende luft, kemisk tilstedeværelse, dufte, fødevarekvalitet, og menneskelig aktivitet og har en dyb indvirkning på vores helbred.

"Til dato, indendørs gassensorer har næsten udelukkende fokuseret på lækage, røg, og kuldioxiddetektion. Selv iterative fremskridt, at inkludere relativ fugtighed, iltniveauer, carbondioxid, flygtige organiske kulstoffer (VOC'er), og ammoniak i realtid kunne spille en enorm rolle i udviklingen af ​​et indenlandsk miljøovervågningsøkosystem. Dette kan sikre, at overvågning af sundhed og velvære bliver central for fremtiden for boligbyggeri og automatisering."