Sensor vestível detecta gases tóxicos, com um holograma

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH) criaram um pequeno sensor de gás que você pode colocar em seus óculos ou luvas como um adesivo. Com um visor de holograma, o sensor notifica imediatamente o usuário sobre a detecção de gás volátil.

A tecnologia vestível pode um dia ajudar a prevenir acidentes com gás relacionados ao vazamento de gás tóxico em fábricas, vazamento de monóxido de carbono em caldeiras ou asfixia por gás tóxico durante a limpeza de bueiros.

Como funciona o sensor de gás vestível

O sensor de 300 x 300 µm é composto por uma célula de metasuperfície e cristal líquido (LC), que é sensível ao gás tóxico. Quando o gás é detectado, a orientação das células muda para formar um aviso personalizado.

Os hologramas são produzidos pela metasuperfície, que faz com que objetos visíveis desapareçam controlando o índice de refração da luz.

A mudança na orientação do cristal líquido na célula reverte a polarização circular da luz que entra da direita para a esquerda.

Essa luz circularmente polarizada interage com a metasuperfície, que é projetada para produzir dois hologramas distintos – um para cada polarização de luz.

No "estado seguro" os LCs são configurados para produzir a polarização da luz que gera o holograma "seguro". A exposição a um gás tóxico influencia os LCs a se orientarem de forma a produzir a polarização circular oposta, gerando o sinal do holograma de "alarme".

"Obtemos uma distribuição de fase que produz a imagem desejada e organizamos as nanoestruturas na metasuperfície de acordo", disse o pesquisador da POSTECH, Trevon Badloe. "Então, quando a metasuperfície é iluminada com luz polarizada circularmente, as imagens holográficas são exibidas."

Badloe e sua equipe anexaram a metasuperfície à superfície curva de um par de óculos de segurança.

Com a metasuperfície, o sensor de gás pode flutuar um alarme de imagem holográfica no espaço em apenas alguns segundos, controlando a polarização da luz transmitida. Os hologramas podem ser feitos para aparecer acima de uma amostra, ou onde quer que o usuário decida colocá-lo, diz Badloe.

“Usamos iluminação a laser para produzir os hologramas, mas planejamos integrar o dispositivo a uma pequena fonte de luz, como OLEDs ou MicroLEDs, para criar um dispositivo completo no chip no futuro”, disse o pesquisador.

Ao contrário de outros sensores de gás comerciais convencionais, o dispositivo POSTECH não requer suporte de dispositivos mecânicos ou eletrônicos externos.

Nos testes, os pesquisadores usaram álcool isopropílico, uma substância tóxica que causa dor de estômago, dor de cabeça e tontura, como o gás perigoso alvo. De acordo com o estudo da equipe, o sensor detectou até mesmo a quantidade mínima de gás de cerca de 200ppm.

O sensor de gás flexível e vestível é feito rapidamente, através de um método de impressão nanocompósito de uma etapa. A estrutura da metasuperfície, previamente processada em um substrato rígido, é nanofundida em um substrato curvo ou flexível em uma única etapa.

O que vem a seguir?

Em seguida, os pesquisadores desenvolverão um sensor ambiental de alto desempenho que exibe o tipo e o nível de concentração de gases ou bioquímicos nos arredores com um alarme holográfico. Os engenheiros também estão estudando técnicas de design óptico que podem codificar várias imagens holográficas. Os estudos, se bem-sucedidos, podem ser usados ​​para reduzir acidentes causados ​​por vazamentos bioquímicos ou de gás.

Os fabricantes de sensores, de acordo com Badloe e sua equipe, liderada pelo professor da POSTECH, professor Junsuk Rho, esperam integrar a tecnologia com sistemas de exibição AR do tipo vidro em desenvolvimento na Apple, Samsung, Google e Facebook.

Badloe, membro do grupo do professor Rho e coautor do recente artigo dos pesquisadores na Science Advances , falou com Tech Briefs via e-mail sobre como ele imagina um futuro de imagens holográficas. Badloe se comunicou em nome de sua equipe e em coordenação com o Dr. Inki Kim, principal autor do artigo.

Resumos técnicos :como é um "alarme holográfico visual imediato"?

Trevon Badloe :O alarme holográfico visual pode exibir quaisquer imagens escolhidas para os estados de segurança e aviso; isso pode incluir texto, imagens ou símbolos. O método de projetar e codificar as imagens na metasuperfície holográfica é bem conhecido, por isso elas são escolhidas antes do processo de fabricação.

Resumos técnicos :Quais gases podem ser detectados com este sensor?

Trevon Badloe :Como a funcionalidade do sensor de gás depende apenas da célula de cristal líquido, a seletividade da resposta a certos gases tóxicos também pode ser facilmente integrada ao dispositivo. Testamos e verificamos os tempos de resposta ao detectar clorofórmio, acetona, tolueno, IPA, p-xileno, metanol e DMF. O tempo de resposta do sinal "seguro" para "alarme" depende da dosagem e do tipo de gás.

Resumo técnico s : H como você projeta um holograma distinto na metasuperfície?

Trevon Badloe :O processo é bastante complexo, mas bem compreendido.

Primeiro, precisamos gerar digitalmente um mapa de fase que produza o padrão de interferência necessário (ou seja, a imagem que queremos exibir) no local desejado. O design de um holograma é feito computacionalmente, conhecido como holografia gerada por computador (CGH). Aqui usamos CGH "somente fase". A geração do mapa de fase para a imagem necessária é bastante direta e bem compreendida, mais comumente usando o algoritmo Gerchberg-Saxton . Então, este mapa de fase é fisicamente codificado em uma metasuperfície usando nanoestruturas que são projetadas para exibir as características de fase necessárias.

Resumos técnicos :É um processo desafiador criar dois hologramas separados?

Trevon Badloe :Aproveitamos o fato de que podemos induzir polarizações iguais e opostas da luz (polarizadas circularmente à esquerda e à direita). Então, podemos combinar os dois mapas de fase distintos de uma maneira que nos permita codificar as nanoestruturas usando suas características de fase inerentes, além de uma compensação extra que está relacionada apenas à rotação das nanoestruturas (conhecidas como propagação e fase geométrica, respectivamente ).

Resumos técnicos :Você pode me mostrar um exemplo de aplicação deste sensor?

Trevon Badloe :O uso de uma célula de cristal líquido flexível e metasuperfície pode nos permitir aplicar os alarmes visuais de detecção de gás a qualquer superfície, independentemente de ser lisa e plana. Como exemplo, anexamos a metasuperfície à superfície curva de um par de óculos de segurança. Eles também podem ser fixados em algum lugar, como as luvas de um usuário, ou em qualquer lugar que eles possam ver facilmente para fornecer um alarme visual.

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Resumos técnicos :O que vem a seguir com sua pesquisa?

Trevon Badloe :Como pesquisa de acompanhamento, vamos produzir um dispositivo que não apenas fornece sinais de segurança e alarme, mas também pode fornecer ao usuário informações sobre o nível de gás tóxico presente. Por exemplo, pode ser útil saber a existência de gás tóxico antes de chegar a níveis perigosos. Então, as ações corretas podem ser realizadas para interromper o fluxo do gás indesejado.

Resumos técnicos :O que é mais interessante para você sobre essa tecnologia e suas possibilidades?

Trevon Badloe :esta tecnologia comprova o impacto que as metasuperfícies podem ter em aplicações da vida real. Com a simples integração de metasuperfícies com cristais líquidos, inúmeras funcionalidades podem ser realizadas. Os alarmes visuais holográficos podem ser extremamente úteis em vários campos onde são necessários alarmes instantâneos para a segurança dos usuários, como em laboratórios ou mesmo ambientes militares para a detecção rápida de gases de risco biológico.

O que você acha? Você vê outros usos para avisos holográficos? Compartilhe suas perguntas e comentários abaixo.