Minúsculo Sensor de Gás Vestível Alerta Usuários a Gases Tóxicos via Display Holográfico

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH) criaram um minúsculo sensor de gás que você pode colocar nos óculos ou luvas como um adesivo. Com um display holográfico, o sensor notifica imediatamente o usuário da detecção de gás volátil.

A tecnologia vestível poderia ajudar a prevenir acidentes com gases relacionados a vazamentos tóxicos em fábricas, vazamentos de monóxido de carbono de caldeiras ou sufocação por gás tóxico durante limpeza de bueiros.

Como o Sensor de Gás Vestível Funciona

O sensor de 300 x 300 µm é composto por uma metassuperfície e célula de 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 metassuperfície, que faz objetos visíveis desaparecerem controlando o índice de refração da luz.

A mudança na orientação do cristal líquido na célula inverte a polarização circular da luz incidente da direita para a esquerda.

Esta luz polarizada circularmente então interage com a metassuperfície, 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 de 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 de holograma "alarme".

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

Badloe e sua equipe fixaram a metassuperfície na superfície curva de um par de óculos de segurança.

Com a metassuperfície, o sensor de gás pode flutuar uma imagem holográfica de alarme 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, no entanto planejamos integrar o dispositivo com uma pequena fonte de luz como OLEDs ou MicroLEDs para criar um dispositivo completo on-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 gás alvo perigoso. Segundo o estudo da equipe, o sensor detectou até mesmo a quantidade mínima de gás de cerca de 200 ppm.

O sensor de gás vestível e flexível é feito rapidamente, através de um método de nanocasting de nanocompósito em uma etapa. A estrutura da metassuperfície, previamente processada em um substrato duro, é nanocasted em um substrato curvo ou flexível em uma etapa.

O que Vem a Seguir?

Em seguida, os pesquisadores desenvolverão um sensor ambiental de alto desempenho que exibe o tipo e nível de concentração de gases ou bioquímicos no ambiente 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 do sensor, segundo Badloe e sua equipe, liderados pelo professor da POSTECH Professor Junsuk Rho, esperam integrar a tecnologia com sistemas de display AR tipo óculos em desenvolvimento na Apple, Samsung, Google e Facebook.

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

Tech Briefs: Como é um "alarme holográfico visual imediato"?

Trevon Badloe: O alarme holográfico visual pode exibir quaisquer imagens escolhidas para os estados seguro e aviso; isso pode incluir texto, imagens ou símbolos. O método de design e codificação das imagens na metassuperfície holográfica é bem conhecido, então eles são escolhidos antes do processo de fabricação.

Tech Briefs: Quais gases podem ser detectados com este sensor?

Trevon Badloe: Como a funcionalidade do sensoriamento de gás depende apenas da célula de cristal líquido, a seletividade da resposta a certos gases tóxicos também poderia 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 tipo de gás.

Tech Briefs: Como você projeta um holograma distinto na metassuperfície?

Trevon Badloe: O processo é bastante envolvido, 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 "apenas de fase". A geração do mapa de fase para a imagem requerida é bastante direta e bem compreendida, mais comumente usando o algoritmo Gerchberg-Saxton . Então, este mapa de fase é fisicamente codificado em uma metassuperfície usando nanoestruturas projetadas para exibir as características de fase requeridas.

Tech Briefs: É um processo desafiador criar dois hologramas separados?

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

Tech Briefs: Pode me levar através de uma aplicação de exemplo deste sensor?

Trevon Badloe: Usar uma célula de cristal líquido flexível e metassuperfície pode nos permitir aplicar os alarmes visuais de sensoriamento de gás a qualquer superfície, independentemente de ser lisa e plana. Como exemplo, fixamos a metassuperfície na superfície curva de um par de óculos de segurança. Eles também poderiam 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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Tech Briefs: O que vem a seguir com sua pesquisa?

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

Tech Briefs: O que é mais emocionante para você sobre esta tecnologia e suas possibilidades?

Trevon Badloe: Esta tecnologia prova o impacto que metassuperfícies poderiam ter em aplicações da vida real. Com a simples integração de metassuperfícies com cristais líquidos, numerosas funcionalidades podem ser realizadas. Alarmes visuais holográficos poderiam ser extremamente úteis em vários campos onde alarmes instantâneos são requeridos para a segurança dos usuários, como em laboratórios ou até ambientes militares para detecção rápida de gases biohazardosos.

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