Tragbare Sensoren erkennen Gaslecks

Gasunfälle – wie das Austreten von giftigem Gas in Fabriken, das Austreten von Kohlenmonoxid aus Heizkesseln oder das Ersticken durch giftiges Gas während der Schachtreinigung – fordern weiterhin Menschenleben und verursachen Verletzungen. Die Entwicklung eines Sensors, der giftige Gase oder Biochemikalien schnell erkennen kann, ist nach wie vor ein wichtiges Thema im Bereich der öffentlichen Gesundheit, der Umweltüberwachung und des Militärs. Ein Forschungsteam hat einen kostengünstigen, ultrakompakten, tragbaren Hologrammsensor entwickelt, der den Benutzer sofort über die Erkennung flüchtiger Gase informiert.

Die Forscher integrierten eine Metaoberfläche mit einem gasreaktiven optischen Flüssigkristallmodulator, um einen Sensor zu entwickeln, der einen sofortigen visuellen holografischen Alarm liefert, wenn schädliche Gase entdeckt werden. Herkömmliche Gasmessvorrichtungen werden aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten nicht weit verbreitet verwendet. Darüber hinaus haben kommerzielle Gassensoren Einschränkungen, da sie schwierig zu verwenden sind und eine schlechte Tragbarkeit und Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen.

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Ingenieur Trevon Badloe erzählt Tech Briefs über das Design des tragbaren Sensors.

Um diese Probleme zu lösen, nutzte das Team die Metaoberfläche – ein optisches Gerät, von dem bekannt ist, dass es einen „unsichtbaren Tarneffekt“ hat, indem es sichtbare Objekte verschwinden lässt, indem es den Brechungsindex des Lichts steuert. Die Metaoberfläche wird insbesondere zur Übertragung von Zwei-Wege-Hologrammen oder 3D-Videobildern durch freie Lichtsteuerung verwendet.

Unter Verwendung der Metaoberfläche entwickelte das Team einen Gassensor, der in nur wenigen Sekunden einen holografischen Bildalarm im Weltraum schweben lassen kann, indem er die Polarisationssteuerung von durchgelassenem Licht nutzt, das sich aufgrund der Änderung der Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen in der Flüssigkristallschicht im Inneren umwandelt die Sensorvorrichtung, wenn sie Gas ausgesetzt wird. Darüber hinaus erfordert der Gassensor im Gegensatz zu anderen herkömmlichen kommerziellen Gassensoren keine Unterstützung durch externe mechanische oder elektronische Geräte.

Die Forscher verwendeten Isopropylalkohol als gefährliches Zielgas, das als giftige Substanz bekannt ist und Magenschmerzen, Kopfschmerzen, Schwindel und sogar Leukämie verursachen kann. Es wurde bestätigt, dass der Sensor sogar die winzige Menge von etwa 200 ppm Gas erfasst. In einem tatsächlichen Experiment mit einem Brettmarker – einer flüchtigen Gasquelle in unserem täglichen Leben – tauchte sofort ein visueller holografischer Alarm auf, sobald der Marker zum Sensor gebracht wurde.

Zur Herstellung des flexiblen, tragbaren Gassensors wurde ein einstufiges Nanokomposit-Druckverfahren entwickelt. Die Metaoberflächenstruktur, die zuvor auf einem harten Substrat verarbeitet wurde, wurde entwickelt, um eine schnelle Produktion mit einem einstufigen Nanocasting-Prozess auf einem gekrümmten oder flexiblen Substrat zu ermöglichen. Wenn der mit diesem Verfahren hergestellte flexible Sensor wie ein Aufkleber auf einer Schutzbrille angebracht wird, kann er Gas erkennen und einen Hologramm-Alarm anzeigen. Es wird erwartet, dass es in glasartige AR-Anzeigesysteme integrierbar ist, die bei Apple, Samsung, Google und Facebook entwickelt werden.

Das Team entwickelt einen Hochleistungs-Umgebungssensor, der die Art und Konzentration von Gasen oder Biochemikalien in der Umgebung mit einem holografischen Alarm anzeigen kann, und untersucht optische Designtechniken, die verschiedene holografische Bilder codieren können. Wenn diese Studien erfolgreich sind, können sie verwendet werden, um Unfälle zu reduzieren, die durch Leckagen von Biochemikalien oder Gasen verursacht werden. Es wäre besonders effektiv in extremeren Arbeitsumgebungen, in denen akustische und visuelle Geräusche intensiv sind.