La tecnologia di rilevamento, parte integrante del monitoraggio ambientale, dell’acquisizione e dell’elaborazione precisa dei dati, si sta evolvendo rapidamente. I ricercatori sono in prima linea nello sviluppo di sensori rapidi, accessibili ed economici. Tra queste innovazioni, i cristalli liquidi colesterici (CLC) nei cristalli fotonici sensibili allo stimolo mostrano una promessa eccezionale.
La loro struttura elicoidale unica e le proprietà fotoniche consentono la produzione di colori strutturali vividi e indipendenti dalla potenza, aprendo la strada a strumenti avanzati di analisi visiva. Tuttavia, una sfida significativa ostacola un'applicazione più ampia dei CLC nel rilevamento ottico:sebbene alterino visibilmente il colore in risposta agli stimoli, la misurazione accurata di questi cambiamenti richiede costose apparecchiature spettroscopiche, limitandone l'implementazione pratica.
In risposta alla crescente necessità di elementi ottici compatti e planari, i ricercatori hanno studiato le fasi geometriche di Pancharatnam-Berry, derivate dalle interazioni spin-orbita della luce. I recenti sviluppi includono l'integrazione della fase geometrica nella luce riflessa tramite sovrastrutture elicoidali CLC, che portano a nuove applicazioni fotoniche.
Nell'ottica planare CLC, questa codifica di fase altera il campo di luce riflessa attraverso diverse bande d'onda, creando modelli visivi distinti. Questo metodo supera le tradizionali tecniche di rilevamento della lunghezza d'onda/frequenza PBG. Inoltre, l'uso di vortici ottici (OV), che forniscono momento angolare orbitale (OAM), è diventato fondamentale nell'esplorazione della lunghezza d'onda sintonizzabile e dell'OAM nei fasci di vortici (VB).
Per migliorare la visualizzazione del segnale di rilevamento, un team di ricercatori dell'Università di Xiamen e dell'Università di Nanchino in Cina ha sviluppato una piattaforma di rilevamento visivo con polimero a cristalli liquidi a fase colesterica (CLCP) che utilizza la codifica di fase geometrica.
Questa piattaforma genera in modo esclusivo segnali di rilevamento basati su immagini attraverso modelli visivi in tempo reale, offrendo un'alternativa più intuitiva e leggibile ai metodi convenzionali basati su lunghezza d'onda/frequenza. La ricerca è pubblicata sulla rivista Light:Science &Applications .
Come prova di concetto, il team ha dimostrato il rilevamento dell'umidità utilizzando pellicole CLCP appositamente preparate, composte da monomeri reattivi di cristalli liquidi, fotoiniziatori e agenti chirali. All'aumentare dell'umidità, questi film assorbono acqua, si espandono e subiscono un aumento del tono, portando allo spostamento verso il rosso della banda riflettente. Ciò conferma l'elevata sensibilità all'umidità, il range di risposta personalizzabile e l'eccellente reversibilità del CLCP.
Il team ha condotto un'analisi approfondita della diffrazione per riflessione delle pellicole CLCP sensibili all'umidità, che codificano una singola piastra q, utilizzando un sistema di monitoraggio a lunghezza d'onda singola. Questi esperimenti hanno rivelato che le pellicole CLCP possono tradurre efficacemente i cambiamenti dell'umidità ambientale in segnali visivi. Questa scoperta sottolinea la loro idoneità per applicazioni di monitoraggio in tempo reale e a lungo raggio.
Per ampliare le capacità di monitoraggio dell'umidità e rilevare le tendenze, i ricercatori hanno introdotto due approcci innovativi per studiare l'interazione tra l'umidità e la luce riflessa dei film CLCP con codifica geometrica di fase (Fig. 3).
Il primo approccio ha esteso l'intervallo di monitoraggio incorporando una matrice di piastre q a quattro quadranti sulle pellicole CLCP. Grazie alla polimerizzazione UV di ciascun quadrante a temperature diverse, sono stati ottenuti intervalli di umidità distinti, correlati a VB variabili.
Il secondo approccio prevedeva un sistema a doppia lunghezza d'onda, creando due VB di diverse lunghezze d'onda. Questi VB formavano un modello dinamico "8", costituito da due forme "a ciambella", in risposta ai cambiamenti di umidità. Questi metodi si sono dimostrati efficaci nell'affrontare i limiti dei materiali CLCP, consentendo il monitoraggio di un intervallo di umidità più ampio e il rilevamento delle tendenze dell'umidità.
Questo studio introduce un nuovo metodo di rilevamento ottico CLCP che utilizza la codifica di fase geometrica, dimostrato attraverso pellicole sensibili all'umidità codificate con piastra q. Questa tecnica consente il rilevamento dell'umidità remoto e senza contatto, creando VB con chiari motivi a "ciambella". Supera il tradizionale rilevamento a cristalli liquidi in termini di precisione, efficienza in termini di costi e fattibilità commerciale.
L'approccio è adattabile a vari tipi di raggi, inclusi i raggi Bessel e Airy, offrendo potenzialità di capacità anti-jamming e modelli visivi personalizzabili. Integrando l'apprendimento automatico per il rilevamento basato su immagini, questa tecnica promette progressi significativi nella tecnologia dei sensori.
Si prevede la futura integrazione con la tecnologia in fibra ottica, aprendo la strada a un monitoraggio ambientale innovativo nelle reti energetiche e di comunicazione.
Ulteriori informazioni: Shi-Long Li et al, Cristalli liquidi colesterici sensibili agli stimoli con codifica di fase geometrica per la visualizzazione del monitoraggio remoto in tempo reale:rilevamento dell'umidità come prova di concetto, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
