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研究人員利用3D打印技術開發(fā)出微觀變色的氣體傳感器

星之球科技 來源:世界先進制造技術論壇2021-12-03 我要評論(0 )   

來自都柏林三一學院(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打印技術開發(fā)了一套新穎的微型氣體傳感器。這些3D打印傳感器...

來自都柏林三一學院(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。



研究團隊認為這套設備可能在家庭、汽車和工作場所的實時氣體監(jiān)測中,以及應用到個人健康的可穿戴設備上產(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)建了響應性的、可打印的、微觀的光學結構,可以進行實時監(jiān)測,并用于檢測氣體。打印這種光學響應材料的能力對于將其納入互聯(lián)、低成本的傳感設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,或是在車里,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準限制的地區(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)部刺激反應型3D打印材料設計、建模和制作一套微觀結構的原型。為了實現(xiàn)這種微小的結構,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構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。



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。幾個世紀之后,科學家們才發(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,德萊尼的團隊設法讓3D打印的傳感器在應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構的幾何形狀來實現(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)境的物理和化學成分是有用的。此外,3D打印的傳感器成本低、可適應不同的刺激、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。



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



相關論文鏈接: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備的應用上相當出色。今年早些時候,華盛頓州立大學(WSU)和DL ADV-Tech公司的工程師就曾使用3D打印技術開發(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,只是它利用電流來評估草甘膦水平。



在其他地方,圣克拉拉大學的研究人員最近使用3D打印技術建造了一個升級版的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的水化感應裝置。通過重新設計、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。


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