Draagbare sensor detecteert giftige gassen, met een hologram

Onderzoekers van de Pohang University of Science &Technology (POSTECH) hebben een kleine gassensor gemaakt die je als een sticker op je bril of handschoenen kunt plakken. Met een hologramdisplay waarschuwt de sensor de gebruiker onmiddellijk voor detectie van vluchtig gas.

De draagbare technologie zou op een dag kunnen helpen om gasongevallen te voorkomen die verband houden met het lekken van giftige gassen in fabrieken, koolmonoxidelekkage van ketels of verstikking van giftige gassen tijdens het schoonmaken van mangaten.

Hoe de draagbare gassensor werkt

De 300 x 300 µm sensor bestaat uit een metasurface en liquid crystal (LC) cel, die gevoelig is voor het giftige gas. Wanneer gas wordt gedetecteerd, verandert de richting van de cellen om een ​​aangepaste waarschuwing te vormen.

De hologrammen worden geproduceerd door het meta-oppervlak, waardoor zichtbare objecten verdwijnen door de brekingsindex van licht te regelen.

De verandering in oriëntatie van het vloeibare kristal in de cel keert de circulaire polarisatie van het binnenkomende licht van rechts naar links om.

Dit circulair gepolariseerde licht interageert vervolgens met het meta-oppervlak, dat is ontworpen om twee verschillende hologrammen te produceren - één voor elke lichtpolarisatie.

In de "veilige toestand" zijn de LC's geconfigureerd om de polarisatie van licht te produceren die het "veilige" hologram genereert. De blootstelling aan een giftig gas zorgt ervoor dat de LC's zich zodanig oriënteren dat ze de tegenovergestelde circulaire polarisatie produceren, waardoor het "alarm" hologramsignaal wordt gegenereerd.

"We verkrijgen een faseverdeling die het gewenste beeld produceert en rangschikken de nanostructuren op het meta-oppervlak dienovereenkomstig", zegt POSTECH-onderzoeker Trevon Badloe. "Dan, wanneer het meta-oppervlak wordt verlicht met circulair gepolariseerd licht, worden de holografische afbeeldingen weergegeven."

Badloe en zijn team bevestigden het meta-oppervlak aan het gebogen oppervlak van een veiligheidsbril.

Met het meta-oppervlak kan de gassensor in slechts enkele seconden een holografisch beeldalarm in de ruimte laten zweven door de polarisatie van doorvallend licht te regelen. De hologrammen kunnen boven een monster worden weergegeven, of waar de drager het ook wil plaatsen, zegt Badloe.

"We hebben laserverlichting gebruikt om de hologrammen te produceren, maar we zijn van plan het apparaat te integreren met een kleine lichtbron zoals OLED's of MicroLED's om in de toekomst een compleet apparaat op de chip te creëren", aldus de onderzoeker.

In tegenstelling tot andere conventionele commerciële gassensoren, heeft het POSTECH-apparaat geen ondersteuning nodig van externe mechanische of elektronische apparaten.

In tests gebruikten de onderzoekers isopropylalcohol, een giftige stof die maagpijn, hoofdpijn en duizeligheid veroorzaakt, als het beoogde gevaarlijke gas. Volgens de studie van het team detecteerde de sensor zelfs de kleinste hoeveelheid gas van ongeveer 200 ppm.

De flexibele en draagbare gassensor wordt snel gemaakt door middel van een nanocomposiet printmethode in één stap. De meta-oppervlaktestructuur, eerder bewerkt op een harde ondergrond, wordt in één stap nanocasted op een gebogen of flexibele ondergrond.

Wat nu?

Vervolgens gaan de onderzoekers een high-performance omgevingssensor ontwikkelen die het type en de concentratie van gassen of biochemicaliën in de omgeving weergeeft met een holografisch alarm. De ingenieurs bestuderen ook optische ontwerptechnieken die verschillende holografische afbeeldingen kunnen coderen. De studies kunnen, indien succesvol, worden gebruikt om ongevallen veroorzaakt door biochemische of gaslekken te verminderen.

Volgens Badloe en zijn team, onder leiding van POSTECH-professor professor Junsuk Rho, hopen de sensormakers de technologie te integreren met AR-displaysystemen van het glastype die in ontwikkeling zijn bij Apple, Samsung, Google en Facebook.

Badloe, lid van de groep van professor Rho en co-auteur van het recente artikel van de onderzoekers in Science Advances , sprak met Tech Briefs via e-mail over hoe hij zich een toekomst van holografische beelden voorstelt. Badloe communiceerde namens zijn team en in coördinatie met Dr. Inki Kim, hoofdauteur van het artikel.

Tech Briefs :Hoe ziet een "onmiddellijk visueel holografisch alarm" eruit?

Trevon Badloe :Het visuele holografische alarm kan alle gekozen afbeeldingen weergeven voor de veilige en waarschuwingsstatussen; dit kan tekst, afbeeldingen of symbolen zijn. De methode voor het ontwerpen en coderen van de afbeeldingen in het holografische meta-oppervlak is bekend, dus ze worden gekozen vóór het fabricageproces.

Tech Briefs :Welke gassen kunnen met deze sensor worden gedetecteerd?

Trevon Badloe :Aangezien de functionaliteit van de gasdetectie alleen afhankelijk is van de vloeibaar-kristalcel, zou de selectiviteit van de reactie op bepaalde giftige gassen ook vrij eenvoudig in het apparaat kunnen worden geïntegreerd. We hebben de responstijden getest en geverifieerd bij het detecteren van chloroform, aceton, tolueen, IPA, p-xyleen, methanol en DMF. De reactietijd van het signaal "veilig" tot "alarm" is afhankelijk van de dosering en het type gas.

Tech Brief s : H hoe ontwerp je een duidelijk hologram in het meta-oppervlak?

Trevon Badloe :Het proces is redelijk ingewikkeld, maar goed begrepen.

Eerst moeten we digitaal een fasekaart genereren die het vereiste interferentiepatroon produceert (d.w.z. het beeld dat we willen weergeven) op de gewenste locatie. Het ontwerp van een hologram gebeurt computationeel, ook wel computer gegenereerde holografie (CGH) genoemd. Hier gebruikten we "alleen fase" CGH. Het genereren van de fasekaart voor het vereiste beeld is vrij eenvoudig en goed begrepen, meestal met behulp van het Gerchberg-Saxton-algoritme . Vervolgens wordt deze fasekaart fysiek gecodeerd op een meta-oppervlak met behulp van nanostructuren die zijn ontworpen om de vereiste fasekenmerken te vertonen.

Tech Briefs :Is het een uitdagend proces om twee afzonderlijke hologrammen te maken?

Trevon Badloe :We profiteren van het feit dat we gelijke en tegengestelde polarisaties van licht kunnen induceren (links en rechts circulair gepolariseerd). Vervolgens kunnen we de twee verschillende fasekaarten combineren op een manier die ons in staat stelt om de nanostructuren te coderen met behulp van hun inherente fasekenmerken, plus een extra compensatie die alleen gerelateerd is aan de rotatie van de nanostructuren (respectievelijk bekend als de voortplantings- en geometrische fase ).

Tech Briefs :Kun je me door een voorbeeldtoepassing van deze sensor leiden?

Trevon Badloe :Door gebruik te maken van een flexibele vloeibaar-kristalcel en meta-oppervlak kunnen we de gasgevoelige visuele alarmen toepassen op elk oppervlak, ongeacht of het glad en vlak is. Als voorbeeld hebben we het meta-oppervlak bevestigd aan het gebogen oppervlak van een veiligheidsbril. Ze kunnen ook ergens worden bevestigd, zoals de handschoenen van een gebruiker, of overal waar ze gemakkelijk kunnen zien om een ​​visueel alarm te geven.

Meer sensoren op technische briefing

Lees meer over een 3D-scherm waarvoor geen headset nodig is.

In 2019 liet een BYU-onderzoeker, geïnspireerd door Star Wars, 3D-beelden in het niets zweven.

Bezoek onze Sensors &Test kennishub.

Tech Briefs :Hoe gaat het verder met je onderzoek?

Trevon Badloe :Als vervolgonderzoek gaan we een apparaat produceren dat niet alleen veilige en alarmsignalen geeft, maar de gebruiker ook informatie kan geven over het aanwezige toxische gas. Het kan bijvoorbeeld nuttig zijn om het bestaan ​​van giftig gas te kennen voordat het gevaarlijke niveaus bereikt. Vervolgens kunnen de juiste acties worden ondernomen om de stroom van het ongewenste gas te stoppen.

Tech Briefs :Wat vind je het meest opwindend aan deze technologie en haar mogelijkheden?

Trevon Badloe :Deze technologie bewijst de impact die meta-oppervlakken kunnen hebben in real-life toepassingen. Met de eenvoudige integratie van meta-oppervlakken met vloeibare kristallen kunnen tal van functionaliteiten worden gerealiseerd. Holografische visuele alarmen kunnen uiterst nuttig zijn op verschillende gebieden waar onmiddellijke alarmen vereist zijn voor de veiligheid van de gebruikers, zoals in laboratoria of zelfs militaire omgevingen voor de snelle detectie van biologisch gevaarlijke gassen.

Wat denk je? Zie je andere toepassingen voor holografische waarschuwingen? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.