研究人員開發出3D打印微觀變色的氣體傳感器以用于有害氣體檢測
時間：2021-12-02 08:19 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2021年12月1日，來自都柏林三一學院（Trinity College Dublin）和SFI先進材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人員利用3D打印技術開發了一套新穎的微型氣體傳感器。這些3D打印傳感器的設計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，它們可以被用來提供一種非常直觀的危險污染物檢測方式，同時在制造上具有顯著的成本效益。研究團隊認為這套設備可能在家庭、汽車和工作場所的實時氣體監測中，以及應用到個人健康的可穿戴設備上產生重大影響。
該研究的共同作者Larisa Florea教授解釋說："我們已經創建了響應性的、可打印的、微觀的光學結構，可以進行實時監測，并用于檢測氣體。打印這種光學響應材料的能力對于將其納入互聯、低成本的傳感設備方面具有深遠的潛力"。
△盡管體積小，但3D打印的傳感器可以顯示出其環境中的氣體含量。圖片來自Trinity College Dublin。
為什么我們需要監測氣體？
毫不夸張地說，現在普通人大部分時間都是在室內度過的，無論是在家里，或是在車里，還是在辦公室。根據弗羅雷亞的說法，在室內監測到的的污染物濃度可能要比室外的濃度高出5-100倍。當你考慮到世界衛生組織建議90%的世界人口生活在超過可接受的空氣標準限制的地區時，這個數字的令人不安的屬性就被放大了。目前，主流的室內氣體傳感器幾乎只關注泄漏、煙霧或一氧化碳檢測，而對實時揮發性有機化合物（VOC）和氨氣檢測等利基市場基本沒有涉及。人體健康已然成為房屋建筑和生產設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）的環境監測生態系統。
△3D打印的氣體傳感器可以根據周圍的氣體反映出不同的顏色。照片來自Trinity College Dublin。
3D打印的變色氣體傳感器
在開發氣體傳感器時，該團隊選擇使用自行研發的內部刺激反應型3D打印材料設計、建模和制作一套微觀結構的原型。為了實現這種微小的結構，研究人員利用了雙光子聚合的過程，這是一種非常精確的基于SLA的3D打印形式，用點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構是從孔雀的羽毛中獲得了靈感。眾所周知，孔雀的羽毛會根據觀察的角度而改變顏色，這種特性被稱為虹彩效應。該研究的主要作者Colm Delaney博士解釋說："300多年前，Robert
Hooke首次研究了孔雀翅膀上的鮮艷色彩。幾個世紀之后，科學家們才發現，這種鮮艷的色彩不是由傳統的顏料造成的，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分之一米。"
最終，德萊尼的團隊設法讓3D打印的傳感器在應對不同的溶劑蒸汽時改變顏色。這是通過改變所用材料的配方以及結構的幾何形狀來實現的，因為觀察角度也是影響傳感器如何反射光線的一個因素。盡管它們比雀斑還小，但事實證明它們對于檢測出所處環境的物理和化學成分是有用的。此外，3D打印的傳感器成本低、可適應不同的刺激、電力消耗需求小，并且高度敏感，這都是他們研究成果的優勢。
△微觀氣體傳感器的SEM成像。圖片來自Trinity College Dublin。
該研究的更多細節可以在題為 "Direct laser writing ofvapour-responsive photonic arrays"的論文中找到。
相關論文鏈接：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備的應用上相當出色。今年早些時候，華盛頓州立大學（WSU）和DL
ADV-Tech公司的工程師就曾使用3D打印技術開發了一種檢測接觸潛在致癌除草劑草甘膦的方法。該測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測儀類似的技術，只是它利用電流來評估草甘膦水平。
在其他地方，圣克拉拉大學的研究人員最近使用3D打印技術建造了一個升級版的農業灌溉系統中的水化感應裝置。通過重新設計、3D打印和迭代這些傳感器的部件，工程師們已經能夠很好地改善其熱檢測能力，并縮小了整體尺寸。
(責任編輯：admin)
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