首創(chuàng)3D打印微型氣體變色傳感器

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

來自愛爾蘭科學基金會(SFI)先進材料和生物工程研究中心Trinity和AMBER的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種用新材料和高分辨率3D打印來制造微小的氣體變色傳感器的新方法，或?qū)⒅χ悄芗揖右约敖】当O(jiān)測的發(fā)展。

3D打印的顯微氣體傳感器。中間:顯示彩色3D打印傳感器的玻璃基板照片。左圖:放大的光學顯微鏡圖像，顯示像素化傳感器對不同蒸汽的響應；右圖:像素化傳感器的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了周期性結構的不同高度。

該研究團隊在《Journal of Materials Chemistry C》上發(fā)表了他們的新研究成果，稱這些打印的傳感器反應靈敏，主要是一種顯微光學結構，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控、檢測空氣中某一氣體含量。大多數(shù)人的大部分時間都是在家里、車里或工作場所，因此廉價而準確地監(jiān)測污染物水平已經(jīng)成為大勢所趨，擁有巨大的市場。這些傳感器潛力巨大，可用于連接的低成本家用設備或集成用于監(jiān)測人體健康的可穿戴設備中。

研究設計圖

該文章的主要作者Colm Delaney博士說：“300多年前，Robert Hooke—（曾經(jīng)用顯微鏡觀察生物，發(fā)明了細胞Cell這個詞）首次研究了孔雀翅膀上鮮艷的顏色。幾個世紀后，科學家們才發(fā)現(xiàn)這種“發(fā)光”的顏色不是由傳統(tǒng)的天然色素造成的，而是由光與羽毛上的微小物體相互作用引起的，這些物體的大小只有百萬分之幾米?！?br />

“我們借鑒了這種生物設計，從喜鵲到變色龍一路觀察，使用激光直寫(DLW)技術來制作一些獨特的材料。利用這種技術我們可將激光聚焦到一個非常小的點，然后用實驗室開發(fā)的軟聚合物制造三維微小結構。”

光子學教授Louise Bradley補充道: “我們兩個小組開展的研究側重于刺激響應材料中微小結構的設計、建模和制造。我的博士生Jing Qian花了很多時間開發(fā)設計，并預測不同結構的反應，從而讓這些結構對光、熱和濕度做出反應，以創(chuàng)建能夠真正重現(xiàn)自然界中的生動性、隱形反應和偽裝能力的系統(tǒng)。這些比雀斑還小的微小反應陣列可以告訴我們它們所處環(huán)境的化學成分。”

為什么微型變色傳感器極有價值？雖然傳統(tǒng)的物理傳感器支持了生活互聯(lián)，但低成本、適應性強的化學傳感平臺方面仍存在滯后。光子傳感器已取得相當大的進展，因最小的功耗、較低的運行成本和較高的靈敏度，成為了重要替代品。這也正是該傳感器商業(yè)化的重要體現(xiàn)。

AMBER的Larisa Florea教授說: “我們創(chuàng)造了響應靈敏的3D打印顯微光學結構，可以實時監(jiān)控，并用于檢測氣體。3D打印的這種光學響應材料可用于家庭里那些互聯(lián)的、低成本感測設備，或者用于監(jiān)測分析目標物的可穿戴設備中?！?br />
“我們的實驗模型顯示，室內(nèi)污染物的濃度可能是室外濃度的5-100倍。考慮到世界衛(wèi)生組織觀察到的世界上90%的人口生活在這種遠超人體可接受的空氣濃度地區(qū)時，我們的研究就擁有了獨特的價值。這些污染物會受到周圍空氣、化學物質(zhì)、香味、食物質(zhì)量和人類活動的影響，并對我們的健康產(chǎn)生深遠的影響。而迄今為止的室內(nèi)氣體傳感器幾乎只關注泄漏、煙霧和二氧化碳的檢測。我們的目標是對相對濕度、氧氣水平、二氧化碳、揮發(fā)性有機碳(VOCs)和氨等都能做出精確、快速的響應。”