圖片來源：浦項科技大學(xué) (POSTECH)

工廠有毒氣體泄漏、鍋爐一氧化碳泄漏或人孔清理過程中有毒氣體窒息等燃?xì)馐鹿什粩嘣斐扇藛T傷亡。開發(fā)能夠快速檢測有毒氣體或生化物質(zhì)的傳感器仍然是公共衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測和軍事領(lǐng)域的重要課題。最近，POSTECH 的一個研究團隊開發(fā)了一種廉價、超緊湊的可穿戴全息傳感器，可立即通知用戶檢測到揮發(fā)性氣體。

由機械與化學(xué)工程系 Junsuk Rho 教授和機械工程系 Inki Kim 博士與 Young-Ki Kim 教授和博士領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組。POSTECH 化學(xué)工程系的候選人 Won-Sik Kim 將超表面與氣體反應(yīng)液晶光學(xué)調(diào)制器集成在一起，開發(fā)出一種傳感器，可在檢測到有害氣體時提供即時視覺全息警報。這項研究的結(jié)果于2021 年 4 月 7 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

對于在石化工廠等危險環(huán)境中工作的人來說，氣體傳感器就是生命。然而，傳統(tǒng)的氣體傳感設(shè)備由于使用復(fù)雜的機器和電子設(shè)備制造成本高而沒有得到廣泛應(yīng)用。此外，商用氣體傳感器也存在使用困難、便攜性和反應(yīng)速度差等局限性。

為了解決這些問題，研究小組利用了超表面，眾所周知，超表面是一種眾所周知的未來光學(xué)裝置，通過控制光的折射率使可見物體消失，從而具有隱形斗篷效應(yīng)。超表面特別用于通過自由控制光線來傳輸雙向全息圖或 3D 視頻圖像。

利用超表面，研究小組開發(fā)了一種氣體傳感器，它可以利用透射光的偏振控制，在幾秒鐘內(nèi)將全息圖像警報漂浮在太空中，該透射光因液晶層中液晶分子的取向變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變暴露在氣體中時在傳感器設(shè)備內(nèi)部。此外，與其他常規(guī)商用氣體傳感器不同，由研究團隊開發(fā)的這種氣體傳感器不需要外部機械或電子設(shè)備的支持。研究人員使用異丙醇作為目標(biāo)有害氣體，這種有毒物質(zhì)會導(dǎo)致胃痛、頭痛、頭暈，甚至白血病。

新開發(fā)的傳感器被證實可以檢測到約 200ppm 的微量氣體。在使用白板標(biāo)記的實際實驗中，我們?nèi)粘Ｉ�活中的揮發(fā)性氣體源，當(dāng)標(biāo)記被帶到傳感器??的那一刻，視覺全息警報立即彈出。

此外，研究團隊開發(fā)了一種單步納米復(fù)合打印方法來生產(chǎn)這種靈活且可穿戴的氣體傳感器。超表面結(jié)構(gòu)之前是在硬基板上加工的，旨在通過單步納米鑄造工藝在彎曲或柔性基板上快速生產(chǎn)。

當(dāng)使用這種方法制造的柔性傳感器像安全眼鏡上的貼紙一樣貼上時，它可以檢測氣體并顯示全息警報。預(yù)計它可以與蘋果、三星、谷歌和 Facebook 正在開發(fā)的玻璃型 AR 顯示系統(tǒng)集成。

更進(jìn)一步，研究團隊正在開發(fā)一種高性能環(huán)境傳感器，可以通過全息警報顯示周圍氣體或生化物質(zhì)的類型和濃度水平，并且正在研究可以編碼各種全息圖像的光學(xué)設(shè)計技術(shù)。如果這些研究成功，它們可用于減少由生化或氣體泄漏引起的事故。

“與傳統(tǒng)的聽覺或簡單的光警報相比，這種新開發(fā)的超緊湊型可穿戴氣體傳感器提供了更直觀的全息視覺警報，”Junsuk Rho 教授評論道�！邦A(yù)計它在聲學(xué)和視覺噪音強烈的更極端的工作環(huán)境中尤其有效。”