Ottimizzazione numerica di metasuperfici accoppiate asimmetriche. (A) Elementi della metasuperficie proposta costituita da nanoantenne a-Si:H che mostrano le distribuzioni di intensità del campo elettrico e magnetico per le nanoantenne con il loro asse lungo parallelo all'asse x (elemento sinistro) e y (elemento destro), con incidenza linearmente polarizzata. L'altezza h e lo spostamento d sono fissati a 400 e 300 nm, rispettivamente. (B) Efficienza (TLR) della componente LCP trasmessa sotto incidenza RCP in funzione della lunghezza (L) e della larghezza (w) delle nanoantenne. I punti rossi indicano le geometrie di quattro celle unitarie selezionate che hanno un'elevata efficienza di diffrazione tenendo conto della risoluzione di fabbricazione. (C) Copertura dell'intera fase e modulazione del fronte d'onda utilizzando il set selezionato di otto celle unitarie. (D) Ologrammi calcolati per sicurezza (faccina sorridente, sinistra) e gli stati di allarme (punto esclamativo, a destra) ottenuto dalla metasuperficie accoppiata asimmetrica progettata. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe9943
Le sostanze biologiche e chimiche possono essere rilevate rapidamente in tempo reale per scopi di monitoraggio della salute pubblica e dell'ambiente. In un nuovo rapporto ora su Progressi scientifici , Inki Kim e un team di ricerca in ingegneria meccanica, la scienza dei materiali e l'ingegneria elettrica nella Repubblica di Corea e in Pakistan hanno proposto una piattaforma di sensori compatta per integrare cristalli liquidi (LC) e metasuperfici olografiche per rilevare l'esistenza di un gas volatile, e quindi fornire un allarme visivo olografico immediato. Il team ha combinato la configurazione per formare sensori di gas ultracompatti senza strumenti complessi al fine di rilevare il gas tramite segnali visivi. I ricercatori hanno dimostrato l'applicabilità dei sensori compatti integrando il sensore di gas basato sulla metasuperficie su occhiali di sicurezza tramite un processo di nanofusione in un'unica fase.
Metasuperfici integrate a cristalli liquidi
Gli scienziati dei materiali hanno ideato una varietà di metodi per rilevare le sostanze bersaglio e le corrispondenti piattaforme di sensori, inclusi quelli elettrici, variazioni del segnale ottico e a radiofrequenza oa microonde. Tra i sensori, I sensori a cristalli liquidi sono adatti per la loro sensibilità e il rilevamento rapido in tempo reale. In questo lavoro, Kim et al. ha proposto una piattaforma di sensori compatta che combinava cristalli liquidi con metasuperfici olografiche note come metasuperfici integrate in LC (LC-MS) per rilevare un gas volatile e fornire un feedback istantaneo tramite un allarme olografico visivo. Il metodo ha integrato i vantaggi della reattività agli stimoli dei cristalli liquidi e la compattezza delle metasuperfici, massimizzando l'efficacia del sensore fornendo la conformazione del rilevamento del gas. Il team ha sviluppato l'ologramma della metasuperficie utilizzando silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) progettato per riprodurre diverse immagini olografiche basate sulla fase geometrica e di propagazione di ciascuna nanostruttura. A seconda della presenza o assenza di gas volatili, la configurazione potrebbe trasmettere diversi stati di polarizzazione della luce.
Progettazione di celle a cristalli liquidi (LC) sensibili ai gas e loro risposte ottiche. (A) Schema della proposta piattaforma di sensori di gas metasuperficiali olografici. Una metasuperficie olografica integrata con LC sensibili al gas proietta un segnale di sicurezza (faccina sorridente) in assenza di un gas pericoloso bersaglio, mentre al rilevamento del gas viene visualizzato un segnale di allarme (punto esclamativo). L'illuminazione polarizzata circolarmente destra (RCP; freccia gialla) crea un "segnale sicuro, ” e l'illuminazione polarizzata circolarmente a sinistra (LCP; freccia verde) produce un “segnale di allarme”. (B) Illustrazione schematica (vista laterale) di LC sensibili al gas che sono ospitati in un micropozzetto. Inizialmente, la cella LC ha una configurazione di ancoraggio ibrida a causa dell'orientamento verticale dei LC all'interfaccia con l'aria e dell'orientamento tangenziale unidirezionale impostato dalla poliimmide strofinata rivestita su un substrato di vetro. Quando vengono introdotti gas volatili, però, l'ordinamento LC è abbassato perché le molecole di gas isotropo si dividono nello strato LC. Di conseguenza, la transizione di fase da nematica a isotropa avviene dall'interfaccia con l'aria e lo strato isotropo si espande man mano che più molecole di gas vengono diffuse nei LC. (da C a E) Micrografie ottiche sequenziali (in alto) della cella LC all'esposizione del gas IPA; vedere il film S1. Barra della scala, 100 micron. I riquadri da (C) a (E) mostrano le corrispondenti micrografie della vista laterale. La cella LC è posta in una camera chiusa con una concentrazione di gas IPA di circa 200 ppm. Le frecce bianche rappresentano la polarizzazione del polarizzatore (ingresso) e dell'analizzatore (uscita). Le frecce blu rappresentano la direzione di sfregamento. (F) Ritardo misurato e spessore dello strato isotropo calcolato nel tempo. I dati corrispondenti a (C) a (E) sono contrassegnati dal blu, verde, e puntini rossi. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe9943 
Il team ha regolato l'ordine molecolare dei cristalli liquidi attraverso una varietà di stimoli esterni. Kim et al. per primo ha osservato e caratterizzato la reattività al gas delle LC nella geometria più semplice. Per realizzare questo, hanno riempito una struttura di micropozzetti con nematici (relativi a, o essendo la fase di un cristallo liquido). Durante gli esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato un gas di alcol isopropilico (IPA) come gas pericoloso bersaglio per il rilevamento. Quando hanno esposto il gas IPA a una concentrazione costante in una cella a camera chiusa, è passato dal bianco al colorato. I risultati hanno indicato la capacità della cella LC di rilevare prontamente i gas tossici. Il team ha quindi condotto esperimenti con una gamma di gas con diverse condizioni di dose per misurare i tempi di rilevamento a circa 1,3 secondi per il cloroformio, 1,6 secondi per l'acetone, 13,9 secondi per il gas IPA e 58,3 secondi per il metanolo. Con dosi maggiori, hanno osservato tassi di risposta più rapidi.
Progettazione di metaologrammi spin-encoded con interazione spin-orbita asimmetrica.
Gli scienziati hanno progettato la metasuperficie codificata con spin in base al metodo convenzionale di modulazione di fase Pancharatnam-Berry (PB) per comprendere la simmetria inerente allo spin e ai gradi di interazione. L'efficienza totale risultante del dispositivo è stata solo del 50 percento. Per superare la perdita di energia ottica, il team ha progettato la metasuperficie tramite la codifica di spin attraverso l'accoppiamento asimmetrico per funzionare per la luce polarizzata circolarmente sinistra (LCP) e la luce polarizzata circolarmente destra (RCP) per aiutare a rompere il limite di efficienza convenzionale. Il confinamento delle risonanze magnetoelettriche all'interno delle nano-antenne ha convalidato la procedura di ottimizzazione. Il team ha selezionato la dimensione delle nanoantenne in base alla loro capacità di mantenere un'elevata efficienza di trasmissione e uno sfasamento incrementale fisso. Hanno sviluppato ologrammi per stati di sicurezza (faccina sorridente) e di allarme (punto esclamativo) ottenuti dalla metasuperficie accoppiata asimmetrica progettata. Per convalidare la funzionalità della metasuperficie accoppiata asimmetrica, Kim et al. simulato numericamente un metaologramma con un software di simulazione elettromagnetica a onda intera disponibile in commercio—Lumerical Inc.
Sensori di gas olografici e applicazioni indossabili
Gli scienziati hanno visualizzato l'esposizione al gas in tempo reale utilizzando il sistema LC-MS sensibile al gas. Hanno quindi testato la capacità di rilevamento, le veloci velocità di commutazione dell'immagine olografica e l'elevata efficienza di diffrazione del sensore di gas nella configurazione ottica all'esposizione a un gas volatile. Kim et al. utilizzato una fonte di gas volatile onnipresente, vale a dire, un pennarello per cartone contenente vari solventi organici tra cui l'IPA (alcol isopropilico). I dispositivi del metaologramma contenevano una nanoantenna a-Si:H. In assenza del gas volatile, il sensore ha proiettato un'immagine olografica sorridente come segnale di sicurezza. Dopo l'esposizione al gas, il segno passò istantaneamente a un punto esclamativo per fornire un "segnale di allarme". che ha ridotto il ritardo ottico per convertire la polarizzazione del raggio di polarizzazione in uscita da RCP (luce polarizzata circolarmente destra) a LCP (luce polarizzata circolarmente sinistra). Quando la squadra ha tolto il gas, l'ologramma tornò rapidamente al suo segno di sicurezza, mentre i cristalli liquidi tornavano al loro orientamento iniziale. Il processo potrebbe avvenire entro pochi secondi e la distanza del marker dal sensore non ha influito sul tempo di risposta. Questo tipo di sensore avrà applicazioni per rilevare l'esposizione a gas nocivi durante il trasporto o lo stoccaggio di prodotti sensibili ai gas. Il team può anche estendere l'applicazione sviluppando dispositivi indossabili basati su metasuperfici flessibili formate tramite un processo di nanocasting in un'unica fase. A differenza della nanostampa convenzionale, Kim et al. inclusa una resina induribile con raggi ultravioletti (UV) funzionalizzata con nanoparticelle di ossido di titanio come resina composita da utilizzare come metasuperficie dielettrica durante il processo, senza ricorrere a complessi processi di nanofabbricazione. Questo processo è adatto anche per la produzione di massa.
Dimostrazione di un sensore di gas LC-MS. (A) Configurazione ottica per un sensore di gas LC-MS (HWP, piastra a mezza onda; M1, specchio 1; M2, specchio 2; P, polarizzatore; QWP, lamina a quarto d'onda). In assenza di gas IPA, la luce RCP illuminata sul sensore LC-MS passa lo strato LC senza alcuna conversione di polarizzazione e viene trasmessa nella metasuperficie. In contrasto, lo strato LC converte l'RCP in ingresso in luce LCP all'esposizione del gas IPA. (B) Fotografie di un sensore di gas LC-MS con un marker di bordo come fonte di gas volatili compreso IPA. Barra della scala, 3mm. Credito fotografico:Inki Kim, POSTECH. (C) Immagini ottiche e SEM della metasuperficie dielettrica integrata. Barra della scala, 100 micron. (D) Allarmi immagine olografica risultanti. All'esposizione dei gas dal marcatore di bordo, il sensore LC-MS emette rapidamente il segnale di allarme entro pochi secondi e recupera il segnale di sicurezza iniziale una volta rimossi i gas. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe9943 
Come prova del concetto, hanno quindi stampato un sensore di gas olografico flessibile e conforme su una pellicola flessibile di polietilene tereftalato (PET) e l'hanno attaccato alla superficie degli occhiali di sicurezza. Il team ha quindi ottimizzato i parametri della metasuperficie composita di resina nanoparticellare per la luce incidente con lunghezza d'onda di 532 nm, sebbene il costrutto funzionasse anche su una gamma più ampia di lunghezze d'onda. In questo modo, Kim et al. sviluppato un chiaro allarme olografico. Nel futuro, possono miniaturizzare e integrare il sensore di gas flessibile e conforme proposto per stabilire completamente sensori di gas indossabili e compatti. Questi sensori hanno funzionato senza dispositivi meccanici ed elettronici complessi aggiuntivi per consentire sensori di gas indossabili a basso costo che possono essere integrati nelle fabbriche, applicazioni edili e di pulizia. Il dispositivo può anche funzionare in modalità riflettente utilizzando la luce ambientale invece di una fonte di luce interna per svilupparsi in modo più economico, piattaforme di sensori più semplici e miniaturizzate.
Dimostrazione di un sensore di gas flessibile LC-MS e di un dispositivo di sicurezza integrato. (A) Illustrazione schematica di un processo di fabbricazione di nanocasting in una fase di una metasuperficie flessibile. Il timbro principale fabbricato con una metasuperficie a-Si:H di 1 μm di altezza è trattato chimicamente per ridurre la forza adesiva per un processo di sformatura più semplice. Lo stampo polimerico staccato è riutilizzabile. (B) Immagine SEM (vista dall'alto) del timbro master in silicio per il processo di nanocasting. L'inserto mostra un'immagine vista inclinata. (C) Fotografia della metasuperficie flessibile risultante. (D) Immagine SEM corrispondente (vista dall'alto) della metasuperficie composita in resina NP (NPC). L'inserto mostra un'immagine vista inclinata. Credito fotografico:Inki Kim, POSTECH. (da E a G) Sensore di gas metasuperficiale olografico flessibile e conforme. Il sensore completo, costituito da una cella LC flessibile e una metasuperficie NPC, è fissato sulla superficie curva degli occhiali di sicurezza. Simile alla caratterizzazione dei metaologrammi a-Si:H, La luce RCP con lunghezza d'onda di 532 nm viene illuminata sul sensore di gas flessibile per visualizzare immagini olografiche. La cella LC e la metasuperficie NPC sono combinate bene. Credito fotografico:Inki Kim, POSTECH. (H e I) Segnale di sicurezza olografico dimostrato sperimentalmente in condizioni normali e segnale di allarme in caso di esposizione a gas IPA. Rispetto al dispositivo a-Si:H, la metasuperficie NPC non solo ha dimensioni critiche più piccole e un'altezza maggiore, il che significa un rapporto di aspetto più elevato, ma presenta anche alcuni difetti durante il processo di stampa. Così, l'efficienza di diffrazione e la chiarezza delle immagini olografiche sono degradate. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe9943
Veduta
In questo modo, Inki Kim e colleghi hanno proposto regole di progettazione generali e versatili per realizzare il potenziale di sistemi di metasuperfici dinamicamente sintonizzabili e sensibili agli stimoli. La piattaforma di sensori di gas LC-MS proposta ha fornito un sistema di allarme visivo rapido adatto a rilevare gas tossici, il team ha verificato i sensori di gas progettati in relazione alla loro praticità e fattibilità per formare un ultracompatto, sistema di sensori di gas economico e di facile utilizzo che ha funzionato senza requisiti complessi. Il sistema è applicabile come sensori indossabili per prevenire incidenti da avvelenamento da gas in cui il sensore può essere montato su guanti o occhiali per fornire un avviso visivo tempestivo tramite allarmi olografici.
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