從孔雀翅膀獲靈感，科學家利用3D打印制造微型變色氣體傳感器
時間：2021-09-29 08:37 來源：MEMS 作者：admin 閱讀：次
據麥姆斯咨詢報道，來自都柏林圣三一大學（Trinity College Dublin）和愛爾蘭科學基金會（SFI）先進材料和生物工程研究中心（AMBER）的科學家們發現了一種使用新材料和高分辨率3D打印技術制造微型變色氣體傳感器的方法。
大多數人一生中的大部分時間都在家里、汽車里或工作環境中度過，因此，例如廉價而準確地監測污染物水平的能力可能會改變人類對健康和安全環境的認知。上述微型變色氣體傳感器——響應式（變色）、3D打印制造、微觀光學結構——能夠以較低的成本實時監測氣體，并用于檢測空氣中的溶劑蒸汽。該傳感器具有巨大的市場潛力，可應用于智能家居、便攜式設備，以及集成到用于監測人類健康的可穿戴設備之中。
這項傳感器研究項目由都柏林圣三一大學化學學院助理教授兼AMBER首席研究員Larisa Florea與都柏林圣三一大學物理學院教授Louise Bradley共同領導，并在都柏林圣三一大學自適應納米結構和納米器件研究中心（CRANN）進行研究項目實施。氣體傳感領域的工業合作者和領導者——來自美國紐約的GE Research也安排Radislav Potyrailo博士參與其中。
上述研究團隊的研究結果剛剛作為特刊的一部分發表于Journal of Materials Chemistry C，該特刊展示了Larisa Florea教授作為新興研究者的工作。該期刊文章的主要作者——都柏林圣三一大學化學學院Colm Delaney博士介紹說：“300多年前，羅伯特·胡克（Robert Hooke）首先研究了孔雀翅膀上鮮艷的顏色。僅僅幾個世紀之后，科學家們才發現，孔雀翅膀上的鮮艷色彩并不是由傳統顏料引起的，而是由光線與羽毛上微小物體的相互作用引起的，這些微小物體的尺寸只有幾百萬分之一米。”
Colm Delaney繼續說道：“我們采用這種從喜鵲到變色龍的‘生物設計’來制造一些非常令人興奮的材料。我們通過使用激光直寫（DLW）技術來實現這一目標，該技術使我們能夠將激光聚焦到一個極小的點，可在我們實驗室開發的軟聚合物中構建微小的3D結構。”
該項目的合作者、都柏林圣三一大學Louise Bradley教授補充道：“我們在兩個小組之間開展的研究主要集中在刺激響應材料中這些微小3D結構的設計、建模和制造上。我們實驗室的優秀博士生Jing Qian花了很多時間開發設計，并預測不同結構的響應，我們可以對光、熱和濕度做出響應，希望創造出能夠真正重現自然界中的隱身和偽裝能力的系統。比孔雀翅膀羽毛上微小物體還小的反應陣列，可以用來告訴我們大量關于環境化學成分的信息。”
為什么微型變色氣體傳感器很有用？目前，雖然傳統的物理傳感器廣泛應用于人類日常生活之中，但是可以使用的低成本、適應性強的化學傳感器平臺仍然存在滯后。基于光子學的傳感器發展迅速，能夠以低功耗、低成本和高靈敏度等優點生成準確而強大的氣體傳感方案。這是Radislav Potyrailo博士及GE Research多年來致力于商業化的領域。
Larisa Florea教授表示：“當考慮到污染物會受到環境空氣、化學物質、香味、食品質量和人類活動的影響，并對人類健康產生深遠影響時，不得不希望對我們周圍的環境進行監測。我們利用3D打印技術制造了具有微觀光學結構的響應式（變色）氣體傳感器，可以實時監測周圍環境氣體。由于這種傳感器成本低廉，因此具有極大的發展空間，從智能家居到可穿戴設備，從手機到汽車。”
“回顧過去，室內氣體傳感器主要用于天然氣/煤氣泄漏監測及火災煙霧報警。隨著技術不斷進步，目前也可以實時監測相對濕度、氧氣水平、二氧化碳、揮發性有機化合物（VOC）、氨氣等。我們的微型變色氣體傳感器可以在家庭環境監測系統中發揮巨大作用，確保人類健康福祉，并成為未來家庭自動化的核心。”
利用3D打印技術制造的微型變色氣體傳感器
大多數人一生中的大部分時間都在家里、汽車里或工作環境中度過，因此，例如廉價而準確地監測污染物水平的能力可能會改變人類對健康和安全環境的認知。上述微型變色氣體傳感器——響應式（變色）、3D打印制造、微觀光學結構——能夠以較低的成本實時監測氣體，并用于檢測空氣中的溶劑蒸汽。該傳感器具有巨大的市場潛力，可應用于智能家居、便攜式設備，以及集成到用于監測人類健康的可穿戴設備之中。
這項傳感器研究項目由都柏林圣三一大學化學學院助理教授兼AMBER首席研究員Larisa Florea與都柏林圣三一大學物理學院教授Louise Bradley共同領導，并在都柏林圣三一大學自適應納米結構和納米器件研究中心（CRANN）進行研究項目實施。氣體傳感領域的工業合作者和領導者——來自美國紐約的GE Research也安排Radislav Potyrailo博士參與其中。
上述研究團隊的研究結果剛剛作為特刊的一部分發表于Journal of Materials Chemistry C，該特刊展示了Larisa Florea教授作為新興研究者的工作。該期刊文章的主要作者——都柏林圣三一大學化學學院Colm Delaney博士介紹說：“300多年前，羅伯特·胡克（Robert Hooke）首先研究了孔雀翅膀上鮮艷的顏色。僅僅幾個世紀之后，科學家們才發現，孔雀翅膀上的鮮艷色彩并不是由傳統顏料引起的，而是由光線與羽毛上微小物體的相互作用引起的，這些微小物體的尺寸只有幾百萬分之一米。”
Colm Delaney繼續說道：“我們采用這種從喜鵲到變色龍的‘生物設計’來制造一些非常令人興奮的材料。我們通過使用激光直寫（DLW）技術來實現這一目標，該技術使我們能夠將激光聚焦到一個極小的點，可在我們實驗室開發的軟聚合物中構建微小的3D結構。”
利用激光直寫技術構建響應式光子學結構
該項目的合作者、都柏林圣三一大學Louise Bradley教授補充道：“我們在兩個小組之間開展的研究主要集中在刺激響應材料中這些微小3D結構的設計、建模和制造上。我們實驗室的優秀博士生Jing Qian花了很多時間開發設計，并預測不同結構的響應，我們可以對光、熱和濕度做出響應，希望創造出能夠真正重現自然界中的隱身和偽裝能力的系統。比孔雀翅膀羽毛上微小物體還小的反應陣列，可以用來告訴我們大量關于環境化學成分的信息。”
為什么微型變色氣體傳感器很有用？目前，雖然傳統的物理傳感器廣泛應用于人類日常生活之中，但是可以使用的低成本、適應性強的化學傳感器平臺仍然存在滯后。基于光子學的傳感器發展迅速，能夠以低功耗、低成本和高靈敏度等優點生成準確而強大的氣體傳感方案。這是Radislav Potyrailo博士及GE Research多年來致力于商業化的領域。
Larisa Florea教授表示：“當考慮到污染物會受到環境空氣、化學物質、香味、食品質量和人類活動的影響，并對人類健康產生深遠影響時，不得不希望對我們周圍的環境進行監測。我們利用3D打印技術制造了具有微觀光學結構的響應式（變色）氣體傳感器，可以實時監測周圍環境氣體。由于這種傳感器成本低廉，因此具有極大的發展空間，從智能家居到可穿戴設備，從手機到汽車。”
“回顧過去，室內氣體傳感器主要用于天然氣/煤氣泄漏監測及火災煙霧報警。隨著技術不斷進步，目前也可以實時監測相對濕度、氧氣水平、二氧化碳、揮發性有機化合物（VOC）、氨氣等。我們的微型變色氣體傳感器可以在家庭環境監測系統中發揮巨大作用，確保人類健康福祉，并成為未來家庭自動化的核心。”
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