Incidenti di gas come perdite di gas tossici nelle fabbriche, fuoriuscita di monossido di carbonio delle caldaie, o il soffocamento da gas tossico durante la pulizia dei tombini continuano a mietere vittime ea causare lesioni. Lo sviluppo di un sensore in grado di rilevare rapidamente gas tossici o sostanze biochimiche è ancora un problema importante per la salute pubblica, monitoraggio ambientale, e settori militari. Recentemente, un team di ricerca presso POSTECH ha sviluppato un economico, sensore olografico indossabile ultracompatto che notifica immediatamente all'utente il rilevamento di gas volatili.

Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal professor Junsuk Rho dei dipartimenti di ingegneria meccanica e chimica e dal dott. Inki Kim del dipartimento di ingegneria meccanica con il professor Young-Ki Kim e Ph.D. Il candidato Won-Sik Kim del Dipartimento di Ingegneria Chimica di POSTECH ha integrato la metasuperficie con un modulatore ottico a cristalli liquidi reattivo ai gas per sviluppare un sensore che fornisce un allarme olografico visivo immediato quando vengono rilevati gas nocivi. I risultati di questo studio sono stati pubblicati in Progressi scientifici il 7 aprile 2021.

Per chi lavora in ambienti pericolosi come impianti petrolchimici, i sensori di gas sono la vita. Però, i dispositivi di rilevamento del gas convenzionali non sono molto utilizzati a causa del loro alto costo di essere realizzati con macchine e dispositivi elettronici complessi. Inoltre, i sensori di gas commerciali hanno limitazioni in quanto sono difficili da usare, e hanno scarsa portabilità e velocità di reazione.

Per risolvere questi problemi, il team di ricerca ha utilizzato la metasuperficie, ben noto come un futuro dispositivo ottico noto per avere l'effetto mantello invisibile facendo scomparire gli oggetti visibili controllando l'indice di rifrazione della luce. Metasurface è particolarmente utilizzato per trasmettere ologrammi bidirezionali o immagini video 3D controllando liberamente la luce.

Usando la metasuperficie, il team di ricerca ha sviluppato un sensore di gas in grado di lanciare un allarme di immagine olografica nello spazio in pochi secondi utilizzando il controllo di polarizzazione della luce trasmessa che si trasforma a causa del cambiamento di orientamento delle molecole di cristalli liquidi nello strato di cristalli liquidi all'interno del dispositivo sensore quando esposto al gas. Inoltre, questo sensore di gas sviluppato dal gruppo di ricerca non richiede supporto da dispositivi meccanici o elettronici esterni, a differenza di altri sensori di gas commerciali convenzionali. I ricercatori hanno utilizzato alcol isopropilico come gas pericoloso bersaglio, nota come sostanza tossica che può causare mal di stomaco, male alla testa, vertigini, e anche la leucemia.

Il sensore di nuova concezione è stato confermato in grado di rilevare anche la minima quantità di gas di circa 200 ppm. In un vero e proprio esperimento utilizzando un pennarello da tavolo, una fonte di gas volatile nella nostra vita quotidiana, un allarme visivo olografico è apparso istantaneamente nel momento in cui il marker è stato portato al sensore.

Inoltre, il team di ricerca ha sviluppato un metodo di stampa nanocomposito in un'unica fase per produrre questo sensore di gas flessibile e indossabile. La struttura della metasuperficie, che è stato precedentemente lavorato su un substrato duro, è stato progettato per consentire una produzione rapida con un processo di nanocasting in un'unica fase su un substrato curvo o flessibile.

Quando il sensore flessibile fabbricato con questo metodo si attacca come un adesivo sugli occhiali di sicurezza, può rilevare il gas e visualizzare un allarme ologramma. Si prevede che sarà integrabile con i sistemi di visualizzazione AR di tipo vetro in fase di sviluppo presso Apple, Samsung, Google, e Facebook.

Facendo un passo avanti, il team di ricerca sta sviluppando un sensore ambientale ad alte prestazioni in grado di visualizzare il tipo e il livello di concentrazione di gas o sostanze biochimiche nell'ambiente circostante con un allarme olografico, e sta studiando tecniche di progettazione ottica in grado di codificare varie immagini olografiche. Se questi studi avranno successo, possono essere utilizzati per ridurre gli incidenti causati da fughe biochimiche o di gas.

"Questo sensore di gas indossabile ultra-compatto di nuova concezione fornisce un allarme visivo olografico più intuitivo rispetto ai tradizionali allarmi uditivi o semplici allarmi luminosi, " ha osservato il prof. Junsuk Rho. "Si prevede che sarà particolarmente efficace in ambienti di lavoro più estremi in cui il rumore acustico e visivo è intenso".