Substâncias biológicas e químicas podem ser detectadas rapidamente em tempo real para fins de monitoramento de saúde pública e ambiental. Em um novo relatório agora em Avanços da Ciência , Inki Kim e uma equipe de pesquisa em engenharia mecânica, a ciência dos materiais e a engenharia elétrica na República da Coréia e no Paquistão propuseram uma plataforma de sensor compacta para integrar cristais líquidos (LCs) e metassuperfícies holográficas para detectar a existência de um gás volátil, e fornecer um alarme holográfico visual imediato. A equipe combinou a configuração para formar sensores de gás ultracompactos sem instrumentos complexos, a fim de detectar o gás por meio de pistas visuais. Os pesquisadores provaram a aplicabilidade dos sensores compactos integrando o sensor de gás baseado em metassuperfície em óculos de segurança por meio de um processo de nanofusão de uma etapa.

Metassuperfícies integradas de cristal líquido

Os cientistas de materiais desenvolveram uma variedade de métodos para detectar substâncias-alvo e suas plataformas de sensores correspondentes, incluindo elétrica, mudanças ópticas e de radiofrequência ou de sinal de micro-ondas. Entre os sensores, Os sensores baseados em cristal líquido são adequados devido à sua sensibilidade e detecção rápida em tempo real. Nesse trabalho, Kim et al. propôs uma plataforma de sensor compacta que combinava cristais líquidos com metassuperfícies holográficas conhecidas como metassuperfícies integradas a LC (LC-MS) para detectar um gás volátil e fornecer feedback instantâneo por meio de um alarme holográfico visual. O método integrou as vantagens da responsividade a estímulos de cristais líquidos e a compactação de metassuperfícies, enquanto maximiza a eficácia do sensor, fornecendo conformação de detecção de gás. A equipe desenvolveu o holograma de metassuperfície usando silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) projetado para reproduzir diferentes imagens holográficas com base na fase geométrica e de propagação de cada nanoestrutura. Dependendo da presença ou ausência de gases voláteis, a configuração pode transmitir diferentes estados de polarização da luz.

A equipe regulou a ordem molecular dos cristais líquidos por meio de uma variedade de estímulos externos. Kim et al. primeiro observou e caracterizou a capacidade de resposta do gás de LCs na geometria mais simples. Para conseguir isso, eles preencheram uma estrutura de micropoços com nemáticos (relacionados com, ou sendo a fase de um cristal líquido). Durante os experimentos, os cientistas usaram um gás de álcool isopropílico (IPA) como gás perigoso alvo para detecção. Quando eles expuseram o gás IPA em uma concentração constante em uma célula de câmara fechada, passou de branco para colorido. Os resultados indicaram a capacidade da célula LC de detectar gases tóxicos prontamente. A equipe então conduziu experimentos com uma gama de gases com diversas condições de dosagem para medir os intervalos de tempo de detecção em cerca de 1,3 segundos para o clorofórmio, 1,6 segundos para acetona, 13,9 segundos para gás IPA e 58,3 segundos para metanol. Com doses mais altas, eles observaram taxas de resposta mais rápidas.

Projetar meta-hologramas codificados por spin com interação spin-órbita assimétrica.

Os cientistas projetaram a metassuperfície codificada por spin com base no método convencional de modulação de fase Pancharatnam-Berry (PB) para entender a simetria inerente ao spin e os graus de interação. A eficiência total resultante do dispositivo foi de apenas 50 por cento. Para superar a perda de energia óptica, a equipe projetou a metassuperfície por meio de codificação de spin por meio de acoplamento assimétrico para funcionar para a luz polarizada circularmente (LCP) esquerda e a luz polarizada circularmente (RCP) direita para ajudar a quebrar o limite de eficiência convencional. O confinamento das ressonâncias magneto-elétricas nas nano-antenas validou o procedimento de otimização. A equipe selecionou o tamanho das nanoantenas dependendo de sua capacidade de manter uma alta eficiência de transmissão e uma mudança de fase incremental fixa. Eles desenvolveram hologramas para estados seguros (rosto sorridente) e de alarme (ponto de exclamação) obtidos a partir da metassuperfície acoplada assimétrica projetada. Para validar a funcionalidade da metassuperfície assimétrica acoplada, Kim et al. simularam numericamente um meta-holograma com software de simulação eletromagnética de onda completa disponível comercialmente - Lumerical Inc.

Sensores de gás holográfico e aplicações vestíveis

Os cientistas visualizaram a exposição ao gás em tempo real usando o sistema LC-MS responsivo a gás. Eles então testaram a capacidade de detecção, as taxas de comutação rápidas da imagem holográfica e a alta eficiência de difração do sensor de gás na configuração óptica na exposição a um gás volátil. Kim et al. usou uma fonte de gás volátil onipresente, ou seja, uma caneta marcadora contendo vários solventes orgânicos, incluindo IPA (álcool isopropílico). Os dispositivos de meta-holograma continham uma nanoantena a-Si:H. Na ausência do gás volátil, o sensor projetou uma imagem holográfica sorridente como um sinal de segurança. Após a exposição ao gás, o sinal mudou instantaneamente para um ponto de exclamação para fornecer um "sinal de alarme". Este processo ocorreu quando os gases voláteis da caneta se difundiram na camada de cristal líquido, que reduziu a retardância óptica para converter a polarização do feixe de polarização de saída de RCP (luz polarizada circularmente à direita) para LCP (luz polarizada circularmente à esquerda). Quando a equipe removeu o gás, o holograma rapidamente se restaurou ao seu sinal de segurança, à medida que os cristais líquidos voltaram à sua orientação inicial. O processo poderia ocorrer em alguns segundos e a distância do marcador ao sensor não afetou o tempo de resposta. Este tipo de sensor terá aplicações para detectar a exposição de gases nocivos durante o transporte ou armazenamento de produtos sensíveis a gases. A equipe também pode estender a aplicação desenvolvendo dispositivos vestíveis baseados em metassuperfícies flexíveis formadas por meio de um processo de nanofusão de uma etapa. Ao contrário da nanoprinting convencional, Kim et al. incluiu uma resina curável ultravioleta (UV) funcionalizada com nanopartículas de óxido de titânio como um composto de resina para uso como uma meta-superfície dielétrica durante o processo, sem usar processos complexos de nanofabricação. Este processo também é adequado para manufatura de produção em massa.

Como prova de conceito, eles então imprimiram um sensor holográfico flexível e conformado em um filme flexível de tereftalato de polietileno (PET) e o anexaram à superfície dos óculos de segurança. A equipe, então, otimizou os parâmetros da metassuperfície composta de nanopartículas de resina para luz incidente de comprimento de onda de 532 nm, embora a construção também funcionasse em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda. Desta maneira, Kim et al. desenvolveu um alarme holográfico claro. No futuro, eles podem miniaturizar e integrar o sensor de gás flexível e conformado proposto para estabelecer sensores de gás compactos e usáveis. Esses sensores funcionaram sem quaisquer dispositivos mecânicos e eletrônicos complexos adicionais para permitir sensores de gás vestíveis de baixo custo que podem ser integrados nas fábricas, aplicações de construção e limpeza. O dispositivo também pode funcionar em modo reflexivo usando luz ambiente em vez de uma fonte de luz interna para desenvolver mais barato, plataformas de sensores mais simples e miniaturizadas.

Panorama

Desta maneira, Inki Kim e seus colegas propuseram regras de design gerais e versáteis para realizar o potencial de sistemas metassuperfície dinamicamente ajustáveis ​​e responsivos a estímulos. A plataforma de sensor de gás LC-MS proposta forneceu um sistema de alarme visual rápido adequado para detectar gases tóxicos, a equipe verificou os sensores de gás projetados em relação à sua praticidade e viabilidade para formar um ultracompacto, Sistema de sensor de gás econômico e fácil de usar que funcionou sem requisitos complexos. O sistema é aplicável como sensores vestíveis para evitar acidentes por envenenamento por gás, onde o sensor pode ser montado em luvas ou óculos para dar um alerta visual imediato por meio de alarmes holográficos.

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