研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)出微觀變色的氣體傳感器，可用于有害氣體檢測(cè)

2021年12月1日，南極熊獲悉，來(lái)自都柏林三一學(xué)院（Trinity College Dublin）和SFI先進(jìn)材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一套新穎的微型氣體傳感器。

這些3D打印傳感器的設(shè)計(jì)模仿了孔雀的變色羽毛，能夠在某些溶劑蒸汽的存在下改變顏色。因此，它們可以被用來(lái)提供一種非常直觀的危險(xiǎn)污染物檢測(cè)方式，同時(shí)在制造上具有顯著的成本效益。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這套設(shè)備可能在家庭、汽車和工作場(chǎng)所的實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)中，以及應(yīng)用到個(gè)人健康的可穿戴設(shè)備上產(chǎn)生重大影響。

該研究的共同作者Larisa Florea教授解釋說(shuō)："我們已經(jīng)創(chuàng)建了響應(yīng)性的、可打印的、微觀的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并用于檢測(cè)氣體。打印這種光學(xué)響應(yīng)材料的能力對(duì)于將其納入互聯(lián)、低成本的傳感設(shè)備方面具有深遠(yuǎn)的潛力"。

△盡管體積小，但3D打印的傳感器可以顯示出其環(huán)境中的氣體含量。圖片來(lái)自Trinity College Dublin。

為什么我們需要監(jiān)測(cè)氣體？

毫不夸張地說(shuō)，現(xiàn)在普通人大部分時(shí)間都是在室內(nèi)度過(guò)的，無(wú)論是在家里，或是在車?yán)?，還是在辦公室。根據(jù)弗羅雷亞的說(shuō)法，在室內(nèi)監(jiān)測(cè)到的的污染物濃度可能要比室外的濃度高出5-100倍。當(dāng)你考慮到世界衛(wèi)生組織建議90%的世界人口生活在超過(guò)可接受的空氣標(biāo)準(zhǔn)限制的地區(qū)時(shí)，這個(gè)數(shù)字的令人不安的屬性就被放大了。

目前，主流的室內(nèi)氣體傳感器幾乎只關(guān)注泄漏、煙霧或一氧化碳檢測(cè)，而對(duì)實(shí)時(shí)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和氨氣檢測(cè)等利基市場(chǎng)基本沒(méi)有涉及。

人體健康已然成為房屋建筑和生產(chǎn)設(shè)施中極為重要的考慮因素，那么我們也必須更加注重全面（但低成本）的環(huán)境監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)。

△3D打印的氣體傳感器可以根據(jù)周圍的氣體反映出不同的顏色。照片來(lái)自Trinity College Dublin。

3D打印的變色氣體傳感器

在開發(fā)氣體傳感器時(shí)，該團(tuán)隊(duì)選擇使用自行研發(fā)的內(nèi)部刺激反應(yīng)型3D打印材料設(shè)計(jì)、建模和制作一套微觀結(jié)構(gòu)的原型。為了實(shí)現(xiàn)這種微小的結(jié)構(gòu)，研究人員利用了雙光子聚合的過(guò)程，這是一種非常精確的基于SLA的3D打印形式，用點(diǎn)狀激光將樹脂固化成微小的零件。

有趣的是，這些打印的傳感器結(jié)構(gòu)是從孔雀的羽毛中獲得了靈感。眾所周知，孔雀的羽毛會(huì)根據(jù)觀察的角度而改變顏色，這種特性被稱為虹彩效應(yīng)。

該研究的主要作者Colm Delaney博士解釋說(shuō)："300多年前，Robert Hooke首次研究了孔雀翅膀上的鮮艷色彩。幾個(gè)世紀(jì)之后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，這種鮮艷的色彩不是由傳統(tǒng)的顏料造成的，而是由光與羽毛上的微小物體的相互作用造成的，這些物體的大小只有幾百萬(wàn)分之一米。"

最終，德萊尼的團(tuán)隊(duì)設(shè)法讓3D打印的傳感器在應(yīng)對(duì)不同的溶劑蒸汽時(shí)改變顏色。這是通過(guò)改變所用材料的配方以及結(jié)構(gòu)的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛^察角度也是影響傳感器如何反射光線的一個(gè)因素。盡管它們比雀斑還小，但事實(shí)證明它們對(duì)于檢測(cè)出所處環(huán)境的物理和化學(xué)成分是有用的。此外，3D打印的傳感器成本低、可適應(yīng)不同的刺激、電力消耗需求小，并且高度敏感，這都是他們研究成果的優(yōu)勢(shì)。

△微觀氣體傳感器的SEM成像。圖片來(lái)自Trinity College Dublin。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Direct laser writing ofvapour-responsive photonic arrays"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc01796a

增材制造的廣泛的材料兼容性使其在傳感器設(shè)備的應(yīng)用上相當(dāng)出色。今年早些時(shí)候，華盛頓州立大學(xué)（WSU）和DL ADV-Tech公司的工程師就曾使用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種檢測(cè)接觸潛在致癌除草劑草甘膦的方法。該測(cè)試套件由一系列涂有3D打印傳感器的納米管組成，使用了與糖尿病血糖監(jiān)測(cè)儀類似的技術(shù)，只是它利用電流來(lái)評(píng)估草甘膦水平。

在其他地方，圣克拉拉大學(xué)的研究人員最近使用3D打印技術(shù)建造了一個(gè)升級(jí)版的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的水化感應(yīng)裝置。通過(guò)重新設(shè)計(jì)、3D打印和迭代這些傳感器的部件，工程師們已經(jīng)能夠很好地改善其熱檢測(cè)能力，并縮小了整體尺寸。