Sensor portátil detecta gases tóxicos, con un holograma

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) han creado un pequeño sensor de gas que puede colocar en sus gafas o guantes como una pegatina. Con una pantalla de holograma, el sensor notifica inmediatamente al usuario la detección de gases volátiles.

La tecnología portátil algún día podría ayudar a prevenir accidentes de gas relacionados con fugas de gases tóxicos en fábricas, fugas de monóxido de carbono de calderas o asfixia por gases tóxicos durante la limpieza de alcantarillas.

Cómo funciona el sensor de gas portátil

El sensor de 300 x 300 µm está compuesto por una metasuperficie y una celda de cristal líquido (LC), que es sensible al gas tóxico. Cuando se detecta gas, la orientación de las celdas cambia para formar una advertencia personalizada.

Los hologramas son producidos por la metasuperficie, que hace desaparecer los objetos visibles controlando el índice de refracción de la luz.

El cambio de orientación del cristal líquido en la celda invierte la polarización circular de la luz entrante de derecha a izquierda.

Esta luz polarizada circularmente luego interactúa con la metasuperficie, que está diseñada para producir dos hologramas distintos, uno para cada polarización de luz.

En el "estado seguro", los LC están configurados para producir la polarización de la luz que genera el holograma "seguro". La exposición a un gas tóxico influye en los LC para que se orienten de manera de producir la polarización circular opuesta, generando la señal de holograma de "alarma".

"Obtenemos una distribución de fase que produce la imagen deseada y organizamos las nanoestructuras en la metasuperficie en consecuencia", dijo el investigador de POSTECH, Trevon Badloe. "Luego, cuando la metasuperficie se ilumina con luz polarizada circularmente, se muestran las imágenes holográficas".

Badloe y su equipo adhirieron la metasuperficie a la superficie curva de un par de gafas de seguridad.

Con la metasuperficie, el sensor de gas puede hacer flotar una alarma de imagen holográfica en el espacio en solo unos segundos al controlar la polarización de la luz transmitida. Se puede hacer que los hologramas aparezcan sobre una muestra, o donde el usuario decida colocarlos, dice Badloe.

"Usamos iluminación láser para producir los hologramas, sin embargo, planeamos integrar el dispositivo con una pequeña fuente de luz como OLED o MicroLED para crear un dispositivo completo en el chip en el futuro", dijo el investigador.

A diferencia de otros sensores de gas comerciales convencionales, el dispositivo POSTECH no requiere soporte de dispositivos mecánicos o electrónicos externos.

En las pruebas, los investigadores utilizaron alcohol isopropílico, una sustancia tóxica que causa dolor de estómago, dolor de cabeza y mareos, como gas peligroso objetivo. Según el estudio del equipo, el sensor detectó incluso la mínima cantidad de gas de unas 200 ppm.

El sensor de gas flexible y portátil se fabrica rápidamente mediante un método de impresión de nanocompuestos de un solo paso. La estructura de la metasuperficie, previamente procesada sobre un sustrato duro, se nanocastea sobre un sustrato curvo o flexible en un solo paso.

¿Qué sigue?

A continuación, los investigadores desarrollarán un sensor ambiental de alto rendimiento que muestre el tipo y el nivel de concentración de gases o productos bioquímicos en el entorno con una alarma holográfica. Los ingenieros también están estudiando técnicas de diseño óptico que pueden codificar varias imágenes holográficas. Los estudios, si tienen éxito, pueden utilizarse para reducir los accidentes causados ​​por fugas bioquímicas o de gas.

Los fabricantes de sensores, según Badloe y su equipo, dirigido por el profesor Junsuk Rho, profesor de POSTECH, esperan integrar la tecnología con los sistemas de pantalla AR de tipo vidrio que se están desarrollando en Apple, Samsung, Google y Facebook.

Badloe, miembro del grupo del profesor Rho y coautor del artículo reciente de los investigadores en Science Advances , habló con Tech Briefs por correo electrónico sobre cómo visualiza un futuro de imágenes holográficas. Badloe se comunicó en nombre de su equipo y en coordinación con el Dr. Inki Kim, autor principal del artículo.

Resúmenes técnicos :¿Qué aspecto tiene una "alarma holográfica visual inmediata"?

Trevon Badloe :La alarma holográfica visual puede mostrar cualquier imagen elegida para los estados de seguridad y advertencia; esto podría incluir texto, imágenes o símbolos. El método de diseño y codificación de las imágenes en la metasuperficie holográfica es bien conocido, por lo que se eligen antes del proceso de fabricación.

Resúmenes técnicos :¿Qué gases se pueden detectar con este sensor?

Trevon Badloe :Dado que la funcionalidad de la detección de gases solo depende de la celda de cristal líquido, la selectividad de la respuesta a ciertos gases tóxicos también podría integrarse con bastante facilidad en el dispositivo. Probamos y verificamos los tiempos de respuesta al detectar cloroformo, acetona, tolueno, IPA, p-xileno, metanol y DMF. El tiempo de respuesta de la señal de "seguro" a "alarma" depende de la dosis y el tipo de gas.

Informe técnico s : H ¿Cómo se diseña un holograma distinto en la metasuperficie?

Trevon Badloe :El proceso es bastante complicado, pero bien entendido.

Primero, necesitamos generar digitalmente un mapa de fase que produzca el patrón de interferencia requerido (es decir, la imagen que queremos mostrar) en la ubicación deseada. El diseño de un holograma se realiza computacionalmente, lo que se conoce como holografía generada por computadora (CGH). Aquí usamos CGH de "solo fase". La generación del mapa de fase para la imagen requerida es bastante sencilla y bien entendida, generalmente utilizando el algoritmo de Gerchberg-Saxton . Luego, este mapa de fase se codifica físicamente en una metasuperficie utilizando nanoestructuras que están diseñadas para exhibir las características de fase requeridas.

Resúmenes técnicos :¿Es un proceso desafiante crear dos hologramas separados?

Trevon Badloe :Aprovechamos que podemos inducir polarizaciones de luz iguales y opuestas (polarización circular izquierda y derecha). Luego, podemos combinar los dos mapas de fase distintos de una manera que nos permita codificar las nanoestructuras utilizando sus características de fase inherentes, además de una compensación adicional que solo está relacionada con la rotación de las nanoestructuras (conocidas como fase de propagación y geométrica, respectivamente). ).

Resúmenes técnicos :¿Puede explicarme una aplicación de ejemplo de este sensor?

Trevon Badloe :El uso de una celda de cristal líquido flexible y una metasuperficie nos permite aplicar las alarmas visuales de detección de gas a cualquier superficie, independientemente de que sea lisa y plana. Como ejemplo, adjuntamos la metasuperficie a la superficie curva de un par de anteojos de seguridad. También se pueden colocar en algún lugar, como los guantes de un usuario, o en cualquier lugar que puedan ver fácilmente para proporcionar una alarma visual.

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Resúmenes técnicos :¿Qué sigue con su investigación?

Trevon Badloe :Como investigación de seguimiento, vamos a producir un dispositivo que no solo proporcione señales seguras y de alarma, sino que también pueda brindar al usuario información sobre el nivel de gas tóxico presente. Por ejemplo, podría ser útil conocer la existencia de gases tóxicos antes de que alcancen niveles peligrosos. Luego, se pueden emprender las acciones correctas para detener el flujo del gas no deseado.

Resúmenes técnicos :¿Qué es lo que más le entusiasma de esta tecnología y sus posibilidades?

Trevon Badloe :Esta tecnología demuestra el impacto que las metasuperficies podrían tener en aplicaciones de la vida real. Con la simple integración de metasuperficies con cristales líquidos se pueden realizar numerosas funcionalidades. Las alarmas visuales holográficas podrían resultar extremadamente útiles en varios campos donde se requieren alarmas instantáneas para la seguridad de los usuarios, como en laboratorios o incluso entornos militares para la detección rápida de gases biopeligrosos.

¿Qué opinas? ¿Ve otros usos para las advertencias holográficas? Comparta sus preguntas y comentarios a continuación.