Minitaire Draagbare Gassensor Waarschuwt Gebruikers voor Giftige Gassen via Holografisch Display

POSTECH Ontwikkelt Sticker-grote Gashologram-sensor voor Directe Visuele Waarschuwing

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

De draagbare technologie kan in de toekomst helpen gasongelukken te voorkomen gerelateerd aan giftige gaslekken in fabrieken, koolmonoxidelekken van ketels, of giftige gasverstikking tijdens rioolputten reinigen.

Hoe de Draagbare Gassensor Werkt

De 300 x 300 µm sensor bestaat uit een metasurface en vloeistofkristijn (LC) cel, gevoelig voor het giftige gas. Bij gasdetectie verandert de oriëntatie van de cellen om een aangepaste waarschuwing te vormen.

De hologrammen worden geproduceerd door de metasurface, die zichtbare objecten doet verdwijnen door de brekingsindex van licht te controleren.

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

Deze circulair gepolariseerde licht interageert dan met de metasurface, die ontworpen is 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. Blootstelling aan giftig gas beïnvloedt de LC's om zich te oriënteren om de tegenovergestelde circulaire polarisatie te produceren, wat het 'alarm' hologram signaal genereert.

"We verkrijgen een faseverdeling die de gewenste afbeelding produceert en rangschikken de nano-structuren op de metasurface dienovereenkomstig," zei POSTECH-onderzoeker Trevon Badloe. "Dan, wanneer de metasurface verlicht wordt met circulair gepolariseerd licht, worden de holografische afbeeldingen getoond."

Badloe en zijn team bevestigden de metasurface aan het gekromde oppervlak van een veiligheidsbril.

Met de metasurface kan de gassensor een holografisch beeldalarm in de ruimte laten zweven in enkele seconden door de polarisatie van doorgelaten licht te controleren. De hologrammen kunnen boven een monster verschijnen, of waar de drager besluit het te plaatsen, aldus Badloe.

"We gebruikten laserverlichting om de hologrammen te produceren, maar we plannen het apparaat te integreren met een kleine lichtbron zoals OLEDs of MicroLEDs om in de toekomst een compleet on-chip apparaat te creëren," zei de onderzoeker.

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

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

De flexibele en draagbare gassensor wordt snel gemaakt, via een één-stap nanocomposite printmethode. De metasurface-structuur, eerder verwerkt op een hard substraat, wordt in één stap nanogegoten op een gekromd of flexibel substraat.

Toekomstige Ontwikkelingen

Vervolgens zullen de onderzoekers een hoogpresterende omgevingsensor ontwikkelen die het type en concentratieniveau van gassen of biochemicaliën in de omgeving weergeeft met een holografisch alarm. De ingenieurs bestuderen ook optische ontwerptechnieken die diverse holografische afbeeldingen kunnen coderen. De studies, als succesvol, kunnen gebruikt worden om ongelukken door biochemische of gaslekken te verminderen.

De sensormakers, volgens Badloe en zijn team, geleid door POSTECH-professor Junsuk Rho, hopen de technologie te integreren met bril-type AR-displaysystemen in ontwikkeling bij Apple, Samsung, Google en Facebook.

Badloe, lid van Professor Rho's groep en co-auteur van de recente paper in Science Advances, sprak met Tech Briefs via e-mail over hoe hij een toekomst van holografische afbeeldingen voorziet. Badloe communiceerde namens zijn team en in coördinatie met Dr. Inki Kim, hoofdauteur van de paper.

Tech Briefs Interview

Tech Briefs: Hoe ziet een "directe visuele holografische alarm" eruit?

Trevon Badloe: De visuele holografische alarm kan elke gekozen afbeelding voor de veilige en waarschuwingsstaat tonen; dit kan tekst, afbeeldingen of symbolen omvatten. De methode van ontwerpen en coderen van de afbeeldingen in de holografische metasurface is bekend, dus ze worden gekozen vóór het fabricatieproces.

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

Trevon Badloe: Omdat de functionaliteit van de gasdetectie alleen afhankelijk is van de vloeistofkristijncel, kan de selectiviteit van de reactie op bepaalde giftige gassen ook redelijk gemakkelijk in het apparaat geïntegreerd worden. We testten en verifieerden de responstijden bij detectie van chlorofoorm, aceton, tolueen, IPA, p-xyleen, methanol en DMF. De responstijd van 'veilig' naar 'alarm' signaal hangt af van de dosering en het type gas.

Tech Briefs: Hoe ontwerp je een distinct hologram in de metasurface?

Trevon Badloe: Het proces is tamelijk ingewikkeld, maar goed begrepen. Eerst moeten we digitaal een fasemap genereren die het vereiste interferentiepatroon (d.w.z. de afbeelding die we willen tonen) op de gewenste locatie produceert. Het ontwerp van een hologram wordt computationeel gedaan, bekend als computer generated holography (CGH). Hier gebruikten we 'phase only' CGH. De generatie van de fasemap voor de vereiste afbeelding is tamelijk rechttoe rechtaan en goed begrepen, meest gebruikmakend van het Gerchberg-Saxton algoritme. Vervolgens wordt deze fasemap fysiek gecodeerd op een metasurface met nano-structuren die ontworpen zijn om de vereiste fasekenmerken te vertonen.

Tech Briefs: Is het een uitdagend proces om twee aparte hologrammen te creëren?

Trevon Badloe: We maken gebruik van het feit dat we gelijke en tegengestelde polarisaties van licht kunnen induceren (links en rechts circulair gepolariseerd). Dan kunnen we de twee verschillende fasemappen combineren op een manier die ons toestaat de nano-structuren te coderen met hun inherent fasekenmerken, plus een extra compensatie die alleen gerelateerd is aan de rotatie van de nano-structuren (bekend als de propagatie en geometrische fase, respectievelijk).

Tech Briefs: Kun je me een voorbeeldapplicatie van deze sensor doorlopen?

Trevon Badloe: Het gebruik van een flexibele vloeistofkristijncel en metasurface stelt ons in staat de gasdetectie visuele alarmen toe te passen op elk oppervlak, ongeacht of het glad en plat is. Als voorbeeld bevestigden we de metasurface aan het gekromde oppervlak van een veiligheidsbril. Ze kunnen ook ergens bevestigd worden zoals de handschoenen van een gebruiker, of overal waar ze gemakkelijk gezien kunnen worden om een visuele alarm te geven.

Tech Briefs: Wat is de volgende stap in uw onderzoek?

Trevon Badloe: Als opvolsonderzoek gaan we een apparaat produceren dat niet alleen veilige en alarm signalen geeft, maar ook informatie kan geven over het niveau van giftig gas dat aanwezig is. Bijvoorbeeld, het kan nuttig zijn om het bestaan van giftig gas te weten voordat het gevaarlijke niveaus bereikt. Dan kunnen de juiste acties ondernomen worden om de stroom van het ongewenste gas te stoppen.

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

Trevon Badloe: Deze technologie bewijst de impact die metasurfaces kunnen hebben in real-life toepassingen. Met de eenvoudige integratie van metasurfaces met vloeistofkristijnen kunnen talloze functionaliteiten gerealiseerd worden. Holografische visuele alarmen kunnen extreem nuttig zijn in verschillende velden waar directe alarmen vereist zijn voor de veiligheid van gebruikers, zoals in labs of zelfs militaire omgevingen voor snelle detectie van biohazard-gassen.