Pequeño sensor de gas wearable alerta de gases tóxicos mediante pantalla holográfica

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) han creado un diminuto sensor de gas que puedes colocar en gafas o guantes como una pegatina. Con una pantalla holográfica, el sensor notifica inmediatamente al usuario de detección de gas volátil.

Funcionamiento del sensor wearable

El sensor de 300 x 300 µm consta de una metasuperficie y una celda de cristal líquido (LC) sensible al gas tóxico. Al detectar gas, la orientación de las celdas cambia para formar una advertencia personalizada.

Los hologramas son producidos por la metasuperficie, que hace desaparecer objetos visibles controlando el índice de refracción de la luz. El cambio de orientación del cristal líquido invierte la polarización circular de la luz entrante de derecha a izquierda. Esta luz polarizada circularmente interactúa con la metasuperficie, diseñada para producir dos hologramas distintos —uno para cada polarización.

En "estado seguro", los LCs producen la polarización que genera el holograma "seguro". La exposición a gas tóxico influye en los LCs para orientarse produciendo la polarización circular opuesta, generando la señal de holograma "alarma".

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

Pruebas y fabricación

Badloe y su equipo fijaron la metasuperficie a la superficie curva de unas gafas de seguridad. Con la metasuperficie, el sensor flota una imagen holográfica de alarma en el espacio en pocos segundos controlando la polarización de la luz transmitida. Los hologramas pueden aparecer sobre una muestra o donde el usuario decida.

"Usamos iluminación láser para producir los hologramas, pero planeamos integrar el dispositivo con una fuente de luz pequeña como OLEDs o MicroLEDs para crear un dispositivo completo on-chip en el futuro", dijo el investigador.

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

En pruebas, usaron alcohol isopropílico, sustancia tóxica que causa dolor estomacal, dolor de cabeza y mareos, como gas objetivo. Según el estudio, el sensor detectó incluso cantidades mínimas de ~200 ppm.

El sensor flexible y wearable se fabrica rápido mediante un método de nanocompuesto de un solo paso. La estructura de metasuperficie, procesada previamente en sustrato duro, se nanocastea en sustrato curvo o flexible en un paso.

Próximos pasos y visión

Luego, desarrollarán un sensor ambiental de alto rendimiento que muestre tipo y nivel de concentración de gases o bioquímicos con alarma holográfica. También estudian técnicas de diseño óptico para codificar diversas imágenes holográficas, lo que podría reducir accidentes por fugas bioquímicas o de gas.

Los fabricantes, según Badloe y su equipo liderado por el Profesor Junsuk Rho, esperan integrar la tecnología con sistemas de visualización AR tipo gafas en desarrollo en Apple, Samsung, Google y Facebook.

Entrevista con Tech Briefs

Tech Briefs: ¿Cómo es una "alarma holográfica visual inmediata"?

Trevon Badloe: Puede mostrar cualquier imagen elegida para estados seguro y alarma: texto, imágenes o símbolos. El método de diseño y codificación en la metasuperficie holográfica es bien conocido, así que se eligen antes de la fabricación.

Tech Briefs: ¿Qué gases se pueden detectar?

Trevon Badloe: Como la funcionalidad solo depende de la celda de cristal líquido, la selectividad hacia ciertos gases tóxicos podría integrarse fácilmente. Probamos y verificamos tiempos de respuesta con cloroformo, acetona, tolueno, IPA, p-xileno, metanol y DMF. El tiempo de respuesta "seguro" a "alarma" depende de la dosis y tipo de gas.

Tech Briefs: ¿Cómo se diseña un holograma distinto en la metasuperficie?

Trevon Badloe: El proceso es bastante involucrado pero bien entendido. Primero, generamos digitalmente un mapa de fase que produce el patrón de interferencia requerido (la imagen a mostrar) en la ubicación deseada. El diseño holográfico se hace computacionalmente (holografía generada por computadora - CGH). Usamos CGH "solo de fase". La generación del mapa de fase es directa, comúnmente usando el algoritmo Gerchberg-Saxton. Luego, este mapa se codifica físicamente en una metasuperficie usando nanoestructuras diseñadas para exhibir las características de fase requeridas.

Tech Briefs: ¿Es difícil crear dos hologramas separados?

Trevon Badloe: Aprovechamos que podemos inducir polarizaciones iguales y opuestas (izquierda y derecha circularmente polarizada). Combinamos los dos mapas de fase distintos codificando nanoestructuras usando sus características de fase inherentes, más una compensación extra relacionada solo con la rotación de las nanoestructuras (fase de propagación y fase geométrica, respectivamente).

Tech Briefs: ¿Puede dar un ejemplo de aplicación?

Trevon Badloe: Usando celda de cristal líquido flexible y metasuperficie permite aplicar alarmas visuales de detección de gas a cualquier superficie, incluso no plana. Ejemplo: fijamos la metasuperficie a gafas de seguridad curvas. También podrían adherirse a guantes o donde el usuario vea fácilmente para alarma visual.

Tech Briefs: ¿Qué sigue en su investigación?

Trevon Badloe: Como seguimiento, produciremos un dispositivo que no solo dé señales seguro/alarma, sino también información sobre el nivel de gas tóxico. Por ejemplo, saber de gas tóxico antes de niveles peligrosos permite acciones correctivas.

Tech Briefs: ¿Qué le emociona más de esta tecnología?

Trevon Badloe: Demuestra el impacto que las metasuperficies podrían tener en aplicaciones reales. Con la simple integración de metasuperficies y cristales líquidos se pueden realizar numerosas funcionalidades. Las alarmas visuales holográficas podrían ser extremadamente útiles en campos donde se requieren alarmas instantáneas para seguridad, como laboratorios o entornos militares para detección rápida de gases biohazard.