圖片來源：浦項科技大學(xué) (POSTECH)

工廠有毒氣體泄漏、鍋爐一氧化碳泄漏或人孔清理過程中有毒氣體窒息等燃氣事故不斷造成人員傷亡。開發(fā)能夠快速檢測有毒氣體或生化物質(zhì)的傳感器仍然是公共衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測和軍事領(lǐng)域的重要課題。最近，POSTECH 的一個研究團隊開發(fā)了一種廉價、超緊湊的可穿戴全息傳感器，可立即通知用戶檢測到揮發(fā)性氣體。

由機械與化學(xué)工程系 Junsuk Rho 教授和機械工程系 Inki Kim 博士與 Young-Ki Kim 教授和博士領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組。POSTECH 化學(xué)工程系的候選人 Won-Sik Kim 將超表面與氣體反應(yīng)液晶光學(xué)調(diào)制器集成在一起，開發(fā)出一種傳感器，可在檢測到有害氣體時提供即時視覺全息警報。這項研究的結(jié)果于2021 年 4 月 7 日發(fā)表在《科學(xué)進展》上。

對于在石化工廠等危險環(huán)境中工作的人來說，氣體傳感器就是生命。然而，傳統(tǒng)的氣體傳感設(shè)備由于使用復(fù)雜的機器和電子設(shè)備制造成本高而沒有得到廣泛應(yīng)用。此外，商用氣體傳感器也存在使用困難、便攜性和反應(yīng)速度差等局限性。

為了解決這些問題，研究小組利用了超表面，眾所周知，超表面是一種眾所周知的未來光學(xué)裝置，通過控制光的折射率使可見物體消失，從而具有隱形斗篷效應(yīng)。超表面特別用于通過自由控制光線來傳輸雙向全息圖或 3D 視頻圖像。

利用超表面，研究小組開發(fā)了一種氣體傳感器，它可以利用透射光的偏振控制，在幾秒鐘內(nèi)將全息圖像警報漂浮在太空中，該透射光因液晶層中液晶分子的取向變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變暴露在氣體中時在傳感器設(shè)備內(nèi)部。此外，與其他常規(guī)商用氣體傳感器不同，由研究團隊開發(fā)的這種氣體傳感器不需要外部機械或電子設(shè)備的支持。研究人員使用異丙醇作為目標有害氣體，這種有毒物質(zhì)會導(dǎo)致胃痛、頭痛、頭暈，甚至白血病。

新開發(fā)的傳感器被證實可以檢測到約 200ppm 的微量氣體。在使用白板標記的實際實驗中，我們?nèi)粘Ｉ�活中的揮發(fā)性氣體源，當標記被帶到傳感器??的那一刻，視覺全息警報立即彈出。

此外，研究團隊開發(fā)了一種單步納米復(fù)合打印方法來生產(chǎn)這種靈活且可穿戴的氣體傳感器。超表面結(jié)構(gòu)之前是在硬基板上加工的，旨在通過單步納米鑄造工藝在彎曲或柔性基板上快速生產(chǎn)。

當使用這種方法制造的柔性傳感器像安全眼鏡上的貼紙一樣貼上時，它可以檢測氣體并顯示全息警報。預(yù)計它可以與蘋果、三星、谷歌和 Facebook 正在開發(fā)的玻璃型 AR 顯示系統(tǒng)集成。

更進一步，研究團隊正在開發(fā)一種高性能環(huán)境傳感器，可以通過全息警報顯示周圍氣體或生化物質(zhì)的類型和濃度水平，并且正在研究可以編碼各種全息圖像的光學(xué)設(shè)計技術(shù)。如果這些研究成功，它們可用于減少由生化或氣體泄漏引起的事故。

“與傳統(tǒng)的聽覺或簡單的光警報相比，這種新開發(fā)的超緊湊型可穿戴氣體傳感器提供了更直觀的全息視覺警報，”Junsuk Rho 教授評論道�！邦A(yù)計它在聲學(xué)和視覺噪音強烈的更極端的工作環(huán)境中尤其有效�！�