研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)出微觀變色的氣體傳感器,，可用于有害氣體檢測

2021年12月1日，南極熊獲悉,，來自都柏林三一學(xué)院（Trinity College Dublin）和SFI先進材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一套新穎的微型氣體傳感器,。

這些3D打印傳感器的設(shè)計模仿了孔雀的變色羽毛，能夠在某些溶劑蒸汽的存在下改變顏色,。因此,，它們可以被用來提供一種非常直觀的危險污染物檢測方式，同時在制造上具有顯著的成本效益,。

研究團隊認(rèn)為這套設(shè)備可能在家庭,、汽車和工作場所的實時氣體監(jiān)測中，以及應(yīng)用到個人健康的可穿戴設(shè)備上產(chǎn)生重大影響,。

該研究的共同作者Larisa Florea教授解釋說："我們已經(jīng)創(chuàng)建了響應(yīng)性的,、可打印的、微觀的光學(xué)結(jié)構(gòu),，可以進行實時監(jiān)測,，并用于檢測氣體。打印這種光學(xué)響應(yīng)材料的能力對于將其納入互聯(lián),、低成本的傳感設(shè)備方面具有深遠的潛力",。

△盡管體積小，但3D打印的傳感器可以顯示出其環(huán)境中的氣體含量,。圖片來自Trinity College Dublin,。

為什么我們需要監(jiān)測氣體？

毫不夸張地說,，現(xiàn)在普通人大部分時間都是在室內(nèi)度過的,，無論是在家里，或是在車?yán)�,，還是在辦公室,。根據(jù)弗羅雷亞的說法，在室內(nèi)監(jiān)測到的的污染物濃度可能要比室外的濃度高出5-100倍,。當(dāng)你考慮到世界衛(wèi)生組織建議90%的世界人口生活在超過可接受的空氣標(biāo)準(zhǔn)限制的地區(qū)時,，這個數(shù)字的令人不安的屬性就被放大了。

目前,，主流的室內(nèi)氣體傳感器幾乎只關(guān)注泄漏,、煙霧或一氧化碳檢測，而對實時揮發(fā)性有機化合物（VOC）和氨氣檢測等利基市場基本沒有涉及,。

人體健康已然成為房屋建筑和生產(chǎn)設(shè)施中極為重要的考慮因素,，那么我們也必須更加注重全面（但低成本）的環(huán)境監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)。

△3D打印的氣體傳感器可以根據(jù)周圍的氣體反映出不同的顏色,。照片來自Trinity College Dublin,。

3D打印的變色氣體傳感器

在開發(fā)氣體傳感器時,，該團隊選擇使用自行研發(fā)的內(nèi)部刺激反應(yīng)型3D打印材料設(shè)計、建模和制作一套微觀結(jié)構(gòu)的原型,。為了實現(xiàn)這種微小的結(jié)構(gòu),，研究人員利用了雙光子聚合的過程，這是一種非常精確的基于SLA的3D打印形式,，用點狀激光將樹脂固化成微小的零件,。

有趣的是，這些打印的傳感器結(jié)構(gòu)是從孔雀的羽毛中獲得了靈感,。眾所周知,，孔雀的羽毛會根據(jù)觀察的角度而改變顏色，這種特性被稱為虹彩效應(yīng),。

該研究的主要作者Colm Delaney博士解釋說："300多年前,，Robert Hooke首次研究了孔雀翅膀上的鮮艷色彩。幾個世紀(jì)之后,，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn),，這種鮮艷的色彩不是由傳統(tǒng)的顏料造成的，而是由光與羽毛上的微小物體的相互作用造成的,，這些物體的大小只有幾百萬分之一米,。"

最終，德萊尼的團隊設(shè)法讓3D打印的傳感器在應(yīng)對不同的溶劑蒸汽時改變顏色,。這是通過改變所用材料的配方以及結(jié)構(gòu)的幾何形狀來實現(xiàn)的,，因為觀察角度也是影響傳感器如何反射光線的一個因素。盡管它們比雀斑還小,，但事實證明它們對于檢測出所處環(huán)境的物理和化學(xué)成分是有用的,。此外，3D打印的傳感器成本低,、可適應(yīng)不同的刺激,、電力消耗需求小，并且高度敏感,，這都是他們研究成果的優(yōu)勢,。

△微觀氣體傳感器的SEM成像。圖片來自Trinity College Dublin,。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Direct laser writing ofvapour-responsive photonic arrays"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc01796a

增材制造的廣泛的材料兼容性使其在傳感器設(shè)備的應(yīng)用上相當(dāng)出色,。今年早些時候,，華盛頓州立大學(xué)（WSU）和DL ADV-Tech公司的工程師就曾使用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種檢測接觸潛在致癌除草劑草甘膦的方法。該測試套件由一系列涂有3D打印傳感器的納米管組成,，使用了與糖尿病血糖監(jiān)測儀類似的技術(shù),，只是它利用電流來評估草甘膦水平,。

在其他地方，圣克拉拉大學(xué)的研究人員最近使用3D打印技術(shù)建造了一個升級版的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的水化感應(yīng)裝置,。通過重新設(shè)計,、3D打印和迭代這些傳感器的部件，工程師們已經(jīng)能夠很好地改善其熱檢測能力,，并縮小了整體尺寸,。