Wearable Sensor erkennt giftige Gase mit einem Hologramm

Forscher der Pohang University of Science &Technology (POSTECH) haben einen winzigen Gassensor entwickelt, den Sie wie einen Aufkleber auf Ihre Brille oder Handschuhe kleben können. Mit einer Hologrammanzeige benachrichtigt der Sensor den Benutzer sofort über die Erkennung flüchtiger Gase.

Die tragbare Technologie könnte eines Tages dazu beitragen, Gasunfälle im Zusammenhang mit dem Austreten von giftigem Gas in Fabriken, dem Austreten von Kohlenmonoxid aus Kesseln oder dem Ersticken durch giftiges Gas während der Schachtreinigung zu verhindern.

Funktionsweise des tragbaren Gassensors

Der 300 x 300 µm große Sensor besteht aus einer Metaoberfläche und einer Flüssigkristallzelle (LC), die für das giftige Gas empfindlich ist. Wenn Gas erkannt wird, ändert sich die Ausrichtung der Zellen, um eine benutzerdefinierte Warnung zu bilden.

Die Hologramme werden von der Metaoberfläche erzeugt, die sichtbare Objekte verschwinden lässt, indem sie den Brechungsindex des Lichts steuert.

Die Änderung der Ausrichtung des Flüssigkristalls in der Zelle kehrt die zirkulare Polarisation des einfallenden Lichts von rechts nach links um.

Dieses zirkular polarisierte Licht interagiert dann mit der Metaoberfläche, die so konzipiert ist, dass sie zwei unterschiedliche Hologramme erzeugt – eines für jede Lichtpolarisation.

Im "sicheren Zustand" sind die LCs so konfiguriert, dass sie die Lichtpolarisation erzeugen, die das "sichere" Hologramm erzeugt. Die Exposition gegenüber einem giftigen Gas beeinflusst die LCs, sich so auszurichten, dass sie die entgegengesetzte Zirkularpolarisation erzeugen, wodurch das „Alarm“-Hologrammsignal erzeugt wird.

„Wir erhalten eine Phasenverteilung, die das gewünschte Bild erzeugt, und ordnen die Nanostrukturen entsprechend auf der Metaoberfläche an“, sagt POSTECH-Forscher Trevon Badloe. "Wenn dann die Metaoberfläche mit zirkular polarisiertem Licht beleuchtet wird, werden die holografischen Bilder angezeigt."

Badloe und sein Team befestigten die Metaoberfläche an der gekrümmten Oberfläche einer Sicherheitsbrille.

Mit der Metaoberfläche kann der Gassensor in nur wenigen Sekunden ein holografisches Alarmbild im Weltraum schweben lassen, indem er die Polarisation des übertragenen Lichts steuert. Die Hologramme können über einem Muster erscheinen oder wo auch immer der Träger es anbringen möchte, sagt Badloe.

"Wir haben Laserbeleuchtung verwendet, um die Hologramme zu erzeugen, aber wir planen, das Gerät mit einer kleinen Lichtquelle wie OLEDs oder MicroLEDs zu integrieren, um in Zukunft ein komplettes On-Chip-Gerät zu schaffen", sagte der Forscher.

Im Gegensatz zu anderen herkömmlichen kommerziellen Gassensoren erfordert das POSTECH-Gerät keine Unterstützung durch externe mechanische oder elektronische Geräte.

In Tests verwendeten die Forscher Isopropylalkohol, eine giftige Substanz, die Magenschmerzen, Kopfschmerzen und Schwindel verursacht, als gefährliches Zielgas. Laut der Studie des Teams erfasste der Sensor sogar die kleinste Gasmenge von etwa 200 ppm.

Der flexible und tragbare Gassensor wird schnell durch ein einstufiges Nanokomposit-Druckverfahren hergestellt. Die zuvor auf einem harten Substrat verarbeitete Metaoberflächenstruktur wird in einem Schritt auf ein gebogenes oder flexibles Substrat nanogegossen.

Was kommt als Nächstes?

Als nächstes werden die Forscher einen Hochleistungs-Umweltsensor entwickeln, der Art und Konzentration von Gasen oder Biochemikalien in der Umgebung mit einem holografischen Alarm anzeigt. Die Ingenieure untersuchen auch optische Designtechniken, die verschiedene holografische Bilder kodieren können. Wenn die Studien erfolgreich sind, können sie zur Reduzierung von Unfällen verwendet werden, die durch Leckagen von Biochemikalien oder Gasen verursacht werden.

Laut Badloe und seinem Team unter der Leitung von POSTECH-Professor Professor Junsuk Rho hoffen die Sensorhersteller, die Technologie in glasartige AR-Anzeigesysteme zu integrieren, die bei Apple, Samsung, Google und Facebook entwickelt werden.

Badloe, Mitglied der Gruppe von Professor Rho und Co-Autor der jüngsten Veröffentlichung der Forscher in Science Advances , sprach mit Tech Briefs per E-Mail darüber, wie er sich eine Zukunft holografischer Bilder vorstellt. Badloe kommunizierte im Namen seines Teams und in Abstimmung mit Dr. Inki Kim, Hauptautorin des Papiers.

Technische Informationen :Wie sieht ein „unmittelbarer visueller holografischer Alarm“ aus?

Trevon Badloe :Der visuelle holografische Alarm kann beliebige Bilder für die Sicherheits- und Warnzustände anzeigen; Dies kann Text, Bilder oder Symbole umfassen. Das Verfahren zum Entwerfen und Codieren der Bilder in die holografische Metaoberfläche ist bekannt, daher werden sie vor dem Herstellungsprozess ausgewählt.

Technische Informationen :Welche Gase können mit diesem Sensor nachgewiesen werden?

Trevon Badloe :Da die Funktionalität der Gasmessung nur von der Flüssigkristallzelle abhängt, könnte auch die Selektivität der Reaktion auf bestimmte toxische Gase relativ einfach in das Gerät integriert werden. Wir haben die Reaktionszeiten bei der Wahrnehmung von Chloroform, Aceton, Toluol, IPA, p-Xylol, Methanol und DMF getestet und verifiziert. Die Reaktionszeit des Signals "sicher" bis "Alarm" hängt von der Dosierung und Art des Gases ab.

Technischer Brief s : H Wie entwerfen Sie ein eindeutiges Hologramm in der Metaoberfläche?

Trevon Badloe :Der Prozess ist ziemlich kompliziert, aber gut verständlich.

Zuerst müssen wir digital eine Phasenkarte erzeugen, die das erforderliche Interferenzmuster (d. h. das Bild, das wir anzeigen möchten) an der gewünschten Stelle erzeugt. Das Design eines Hologramms erfolgt rechnerisch, bekannt als computergenerierte Holographie (CGH). Hier haben wir „Phase only“ CGH verwendet. Die Generierung der Phasenkarte für das erforderliche Bild ist ziemlich einfach und gut verständlich, am häufigsten unter Verwendung des Gerchberg-Saxton-Algorithmus . Dann wird diese Phasenkarte mithilfe von Nanostrukturen, die so gestaltet sind, dass sie die erforderlichen Phaseneigenschaften aufweisen, physikalisch auf eine Metaoberfläche kodiert.

Technische Informationen :Ist es ein schwieriger Prozess, zwei separate Hologramme zu erstellen?

Trevon Badloe :Wir nutzen die Tatsache aus, dass wir gleiche und entgegengesetzte Polarisationen des Lichts (links- und rechtszirkular polarisiert) induzieren können. Dann können wir die beiden unterschiedlichen Phasenkarten so kombinieren, dass wir die Nanostrukturen mithilfe ihrer inhärenten Phaseneigenschaften codieren können, plus einer zusätzlichen Kompensation, die nur mit der Rotation der Nanostrukturen zusammenhängt (bekannt als Ausbreitung bzw. geometrische Phase). ).

Technische Informationen :Können Sie mir eine Beispielanwendung dieses Sensors zeigen?

Trevon Badloe :Durch die Verwendung einer flexiblen Flüssigkristallzelle und einer Metaoberfläche können wir die visuellen Gassensor-Alarme auf jeder Oberfläche anbringen, unabhängig davon, ob sie glatt und flach ist. Als Beispiel haben wir die Metafläche an der gekrümmten Oberfläche einer Schutzbrille befestigt. Sie könnten auch irgendwo angebracht werden, wie zum Beispiel an den Handschuhen eines Benutzers, oder überall dort, wo er leicht sehen kann, um einen visuellen Alarm zu geben.

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Technische Informationen :Wie geht es mit Ihrer Forschung weiter?

Trevon Badloe :Als Folgeforschung werden wir ein Gerät produzieren, das nicht nur Sicherheits- und Alarmsignale liefert, sondern dem Benutzer auch Informationen über das vorhandene Giftgasniveau geben kann. Beispielsweise könnte es nützlich sein, die Existenz von giftigem Gas zu kennen, bevor es gefährliche Werte erreicht. Dann können die richtigen Maßnahmen ergriffen werden, um den Strom des unerwünschten Gases zu stoppen.

Technische Informationen :Was begeistert Sie am meisten an dieser Technologie und ihren Möglichkeiten?

Trevon Badloe :Diese Technologie beweist die Auswirkungen, die Metaoberflächen in realen Anwendungen haben könnten. Durch die einfache Integration von Metaoberflächen mit Flüssigkristallen lassen sich zahlreiche Funktionalitäten realisieren. Holografische visuelle Alarme könnten sich in verschiedenen Bereichen als äußerst nützlich erweisen, in denen sofortige Alarme für die Sicherheit der Benutzer erforderlich sind, wie z. B. in Labors oder sogar militärischen Umgebungen für die schnelle Erkennung von biologisch gefährlichen Gasen.

Was denken Sie? Sehen Sie andere Anwendungen für holografische Warnungen? Teilen Sie unten Ihre Fragen und Kommentare.