Winziger tragbarer Gassensor warnt vor Giftgasen per holografischem Display

Forscher der Pohang University of Science & Technology (POSTECH) haben einen winzigen Gassensor entwickelt, den man wie einen Aufkleber auf Brille oder Handschuhe platzieren kann. Mit einem Hologramm-Display warnt der Sensor den Nutzer sofort bei Detektion flüchtiger Gase.

Funktionsweise

Der 300 × 300 µm große Sensor besteht aus einer Metasurface und einer Flüssigkristallzelle (LC), die empfindlich auf das Giftgas reagiert. Bei Gasdetektion ändert sich die Orientierung der Zellen, um eine angepasste Warnung zu bilden.

Die Hologramme werden von der Metasurface erzeugt, die sichtbare Objekte durch Kontrolle des Brechungsindex des Lichts verschwinden lässt.

Die Orientierungsänderung des Flüssigkristalls in der Zelle kehrt die Zirkularpolarisation des einfallenden Lichts von rechts nach links um.

Dieses zirkularpolarisierte Licht interagiert dann mit der Metasurface, die so designt ist, zwei distinkte Hologramme zu erzeugen – eines für jede Lichtpolarisation.

Im „Sicherheitszustand“ sind die LCs so konfiguriert, dass sie die Polarisation erzeugen, die das „sichere“ Hologramm generiert. Die Exposition gegenüber einem Giftgas beeinflusst die LCs so, dass sie die entgegengesetzte Zirkularpolarisation erzeugen und das „Alarm“-Hologrammsignal generieren.

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

Badloe und sein Team befestigten die Metasurface an der gekrümmten Oberfläche einer Schutzbrille.

Mit der Metasurface kann der Gassensor ein holografisches Alarmbild in wenigen Sekunden im Raum schweben lassen, indem er die Polarisation des transmittierten Lichts kontrolliert. Die Hologramme können über einem Sample oder dort erscheinen, wo der Träger sie platziert, so Badloe.

„Wir nutzten Laserbeleuchtung für die Hologramme, planen aber, 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 konventionellen kommerziellen Gassensoren benötigt das POSTECH-Gerät keine Unterstützung durch externe mechanische oder elektronische Geräte.

In Tests nutzten die Forscher Isopropylalkohol, eine giftige Substanz, die Magenschmerzen, Kopfschmerzen und Schwindel verursacht, als Zielgas. Laut Studie detektierte der Sensor selbst minute Gasmengen von etwa 200 ppm.

Der flexible, tragbare Gassensor wird schnell im Ein-Schritt-Nanokomposit-Druckverfahren hergestellt. Die Metasurface-Struktur, zuvor auf einem harten Substrat prozessiert, wird in einem Schritt auf ein gekrümmtes oder flexibles Substrat nanokastet.

Ausblick

Als Nächstes werden die Forscher einen hochleistungsfähigen Umweltsensor entwickeln, der Art und Konzentrationslevel von Gasen oder Biochemikalien in der Umgebung mit holografischem Alarm anzeigt. Sie untersuchen auch optische Designtechniken, die verschiedene holografische Bilder kodieren können. Bei Erfolg können diese Studien Unfälle durch biochemische oder Gaslecks reduzieren.

Die Sensormacher, laut Badloe und seinem Team, geleitet von POSTECH-Professor Junsuk Rho, hoffen, die Technologie mit brillenbasierten AR-Display-Systemen in Entwicklung bei Apple, Samsung, Google und Facebook zu integrieren.

Badloe, Mitglied von Professor Rhos Gruppe und Co-Autor der jüngsten Publikation in Science Advances, sprach mit Tech Briefs per E-Mail über seine Vision holografischer Bilder. Badloe kommunizierte im Namen seines Teams und in Koordination mit Dr. Inki Kim, Erstautor der Arbeit.

Interview mit Trevon Badloe

Tech Briefs: Wie sieht ein „sofortiger visueller holografischer Alarm“ aus?

Trevon Badloe: Der visuelle holografische Alarm kann beliebige gewählte Bilder für Sicherheits- und Warnzustände anzeigen; dies könnte Text, Bilder oder Symbole umfassen. Die Methode zum Design und Kodieren der Bilder in die holografische Metasurface ist wohlbekannt, daher werden sie vor dem Fertigungsprozess gewählt.

Tech Briefs: Welche Gase können mit diesem Sensor detektiert werden?

Trevon Badloe: Da die Gassensorfunktionalität nur von der Flüssigkristallzelle abhängt, könnte die Selektivität der Reaktion auf bestimmte Giftgase ebenfalls recht einfach in das Gerät integriert werden. Wir testeten und verifizierten die Ansprechzeiten bei Chloroform, Aceton, Toluol, IPA, p-Xylol, Methanol und DMF. Die Reaktionszeit von „sicher“ zu „Alarm“ hängt von Dosis und Gasart ab.

Tech Briefs: Wie entwirft man ein distinktes Hologramm in der Metasurface?

Trevon Badloe: Der Prozess ist ziemlich involviert, aber gut verstanden.

Zuerst muss man digital eine Phasenmap erzeugen, die das gewünschte Interferenzmuster (d. h. das anzuzeigende Bild) am gewünschten Ort erzeugt. Das Design eines Hologramms erfolgt computergestützt, bekannt als Computer Generated Holography (CGH). Hier nutzten wir „phase only“ CGH. Die Erzeugung der Phasenmap für das gewünschte Bild ist ziemlich geradlinig und wohlbekannt, meist mit dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus. Dann wird diese Phasenmap physisch auf eine Metasurface kodiert, indem Nanostrukturen designt werden, die die erforderlichen Phaseneigenschaften aufweisen.

Tech Briefs: Ist es ein herausfordernder Prozess, zwei separate Hologramme zu erstellen?

Trevon Badloe: Wir nutzen die Tatsache, dass wir gleichwertige und entgegengesetzte Polarisationen von Licht induzieren können (links und rechts zirkularpolarisiert). Dann können wir die zwei distinkten Phasenmaps so kombinieren, dass wir die Nanostrukturen mittels ihrer inhärenten Phaseneigenschaften plus einer zusätzlichen Kompensation kodieren, die nur mit der Rotation der Nanostrukturen zusammenhängt (bekannt als Propagations- und geometrische Phase).

Tech Briefs: Können Sie ein Beispielanwendung dieses Sensors durchgehen?

Trevon Badloe: Die Nutzung einer flexiblen Flüssigkristallzelle und Metasurface erlaubt uns, die Gassensor-Visualalarme auf jede Oberfläche anzuwenden, unabhängig davon, ob sie glatt und flach ist. Als Beispiel befestigten wir die Metasurface an der gekrümmten Oberfläche einer Schutzbrille. Sie könnten auch an Handschuhen eines Nutzers oder überall dort angebracht werden, wo sie gut sichtbar sind, um einen visuellen Alarm zu geben.

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Tech Briefs: Was kommt als Nächstes in Ihrer Forschung?

Trevon Badloe: Als Folgeforschung werden wir ein Gerät produzieren, das nicht nur Sicherheits- und Alarmsignale gibt, sondern dem Nutzer auch Informationen über das Level des vorhandenen Giftgases liefert. Zum Beispiel könnte es nützlich sein, die Existenz von Giftgas zu kennen, bevor es gefährliche Level erreicht. Dann können die richtigen Maßnahmen ergriffen werden, um den Fluss des unerwünschten Gases zu stoppen.

Tech Briefs: Was begeistert Sie am meisten an dieser Technologie und ihren Möglichkeiten?

Trevon Badloe: Diese Technologie beweist die Wirkung, die Metasurfaces in realen Anwendungen haben könnten. Mit der einfachen Integration von Metasurfaces mit Flüssigkristallen können zahlreiche Funktionalitäten realisiert werden. Holografische Visualalarme könnten in verschiedenen Bereichen extrem nützlich sein, wo sofortige Alarme für die Sicherheit der Nutzer erforderlich sind, wie in Laboren oder sogar militärischen Umgebungen für die schnelle Detektion biohazardöser Gase.

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