從孔雀翅膀獲靈感，科學(xué)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(jù)麥姆斯咨詢報道，來自都柏林圣三一大學(xué)（Trinity College Dublin）和愛爾蘭科學(xué)基金會（SFI）先進(jìn)材料和生物工程研究中心（AMBER）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種使用新材料和高分辨率3D打印技術(shù)制造微型變色氣體傳感器的方法。
大多數(shù)人一生中的大部分時間都在家里、汽車里或工作環(huán)境中度過，因此，例如廉價而準(zhǔn)確地監(jiān)測污染物水平的能力可能會改變?nèi)祟悓】岛桶踩h(huán)境的認(rèn)知。上述微型變色氣體傳感器——響應(yīng)式（變色）、3D打印制造、微觀光學(xué)結(jié)構(gòu)——能夠以較低的成本實時監(jiān)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(yīng)用于智能家居、便攜式設(shè)備，以及集成到用于監(jiān)測人類健康的可穿戴設(shè)備之中。
這項傳感器研究項目由都柏林圣三一大學(xué)化學(xué)學(xué)院助理教授兼AMBER首席研究員Larisa Florea與都柏林圣三一大學(xué)物理學(xué)院教授Louise Bradley共同領(lǐng)導(dǎo)，并在都柏林圣三一大學(xué)自適應(yīng)納米結(jié)構(gòu)和納米器件研究中心（CRANN）進(jìn)行研究項目實施。氣體傳感領(lǐng)域的工業(yè)合作者和領(lǐng)導(dǎo)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(tuán)隊的研究結(jié)果剛剛作為特刊的一部分發(fā)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(xué)化學(xué)學(xué)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(jì)之后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，孔雀翅膀上的鮮艷色彩并不是由傳統(tǒng)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(xù)說道：“我們采用這種從喜鵲到變色龍的‘生物設(shè)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(shù)來實現(xiàn)這一目標(biāo)，該技術(shù)使我們能夠?qū)⒓す饩劢沟揭粋�極小的點，可在我們實驗室開發(fā)的軟聚合物中構(gòu)建微小的3D結(jié)構(gòu)。”
該項目的合作者、都柏林圣三一大學(xué)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(yīng)材料中這些微小3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建模和制造上。我們實驗室的優(yōu)秀博士生Jing Qian花了很多時間開發(fā)設(shè)計，并預(yù)測不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，我們可以對光、熱和濕度做出響應(yīng)，希望創(chuàng)造出能夠真正重現(xiàn)自然界中的隱身和偽裝能力的系統(tǒng)。比孔雀翅膀羽毛上微小物體還小的反應(yīng)陣列，可以用來告訴我們大量關(guān)于環(huán)境化學(xué)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(tǒng)的物理傳感器廣泛應(yīng)用于人類日常生活之中，但是可以使用的低成本、適應(yīng)性強的化學(xué)傳感器平臺仍然存在滯后。基于光子學(xué)的傳感器發(fā)展迅速，能夠以低功耗、低成本和高靈敏度等優(yōu)點生成準(zhǔn)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(yè)化的領(lǐng)域。
Larisa Florea教授表示：“當(dāng)考慮到污染物會受到環(huán)境空氣、化學(xué)物質(zhì)、香味、食品質(zhì)量和人類活動的影響，并對人類健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響時，不得不希望對我們周圍的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。我們利用3D打印技術(shù)制造了具有微觀光學(xué)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)式（變色）氣體傳感器，可以實時監(jiān)測周圍環(huán)境氣體。由于這種傳感器成本低廉，因此具有極大的發(fā)展空間，從智能家居到可穿戴設(shè)備，從手機到汽車。”
“回顧過去，室內(nèi)氣體傳感器主要用于天然氣/煤氣泄漏監(jiān)測及火災(zāi)煙霧報警。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，目前也可以實時監(jiān)測相對濕度、氧氣水平、二氧化碳、揮發(fā)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)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(shù)制造的微型變色氣體傳感器
大多數(shù)人一生中的大部分時間都在家里、汽車里或工作環(huán)境中度過，因此，例如廉價而準(zhǔn)確地監(jiān)測污染物水平的能力可能會改變?nèi)祟悓】岛桶踩h(huán)境的認(rèn)知。上述微型變色氣體傳感器——響應(yīng)式（變色）、3D打印制造、微觀光學(xué)結(jié)構(gòu)——能夠以較低的成本實時監(jiān)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(yīng)用于智能家居、便攜式設(shè)備，以及集成到用于監(jiān)測人類健康的可穿戴設(shè)備之中。
這項傳感器研究項目由都柏林圣三一大學(xué)化學(xué)學(xué)院助理教授兼AMBER首席研究員Larisa Florea與都柏林圣三一大學(xué)物理學(xué)院教授Louise Bradley共同領(lǐng)導(dǎo)，并在都柏林圣三一大學(xué)自適應(yīng)納米結(jié)構(gòu)和納米器件研究中心（CRANN）進(jìn)行研究項目實施。氣體傳感領(lǐng)域的工業(yè)合作者和領(lǐng)導(dǎo)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(tuán)隊的研究結(jié)果剛剛作為特刊的一部分發(fā)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(xué)化學(xué)學(xué)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(jì)之后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，孔雀翅膀上的鮮艷色彩并不是由傳統(tǒng)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(xù)說道：“我們采用這種從喜鵲到變色龍的‘生物設(shè)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(shù)來實現(xiàn)這一目標(biāo)，該技術(shù)使我們能夠?qū)⒓す饩劢沟揭粋�極小的點，可在我們實驗室開發(fā)的軟聚合物中構(gòu)建微小的3D結(jié)構(gòu)。”
利用激光直寫技術(shù)構(gòu)建響應(yīng)式光子學(xué)結(jié)構(gòu)
該項目的合作者、都柏林圣三一大學(xué)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(yīng)材料中這些微小3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建模和制造上。我們實驗室的優(yōu)秀博士生Jing Qian花了很多時間開發(fā)設(shè)計，并預(yù)測不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，我們可以對光、熱和濕度做出響應(yīng)，希望創(chuàng)造出能夠真正重現(xiàn)自然界中的隱身和偽裝能力的系統(tǒng)。比孔雀翅膀羽毛上微小物體還小的反應(yīng)陣列，可以用來告訴我們大量關(guān)于環(huán)境化學(xué)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(tǒng)的物理傳感器廣泛應(yīng)用于人類日常生活之中，但是可以使用的低成本、適應(yīng)性強的化學(xué)傳感器平臺仍然存在滯后。基于光子學(xué)的傳感器發(fā)展迅速，能夠以低功耗、低成本和高靈敏度等優(yōu)點生成準(zhǔn)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(yè)化的領(lǐng)域。
Larisa Florea教授表示：“當(dāng)考慮到污染物會受到環(huán)境空氣、化學(xué)物質(zhì)、香味、食品質(zhì)量和人類活動的影響，并對人類健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響時，不得不希望對我們周圍的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。我們利用3D打印技術(shù)制造了具有微觀光學(xué)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)式（變色）氣體傳感器，可以實時監(jiān)測周圍環(huán)境氣體。由于這種傳感器成本低廉，因此具有極大的發(fā)展空間，從智能家居到可穿戴設(shè)備，從手機到汽車。”
“回顧過去，室內(nèi)氣體傳感器主要用于天然氣/煤氣泄漏監(jiān)測及火災(zāi)煙霧報警。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，目前也可以實時監(jiān)測相對濕度、氧氣水平、二氧化碳、揮發(fā)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)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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