研究人员利用3D打印技术开发出微观变色的气体传感器,可用于有害气体检测

3D打印资讯
2021
12/01
21:14
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2021年12月1日,南极熊获悉,来自都柏林三一学院(Trinity College Dublin)和SFI先进材料和生物工程研究中心(AMBER)的研究人员利用3D打印技术开发了一套新颖的微型气体传感器。

这些3D打印传感器的设计模仿了孔雀的变色羽毛,能够在某些溶剂蒸汽的存在下改变颜色。因此,它们可以被用来提供一种非常直观的危险污染物检测方式,同时在制造上具有显著的成本效益。

研究团队认为这套设备可能在家庭、汽车和工作场所的实时气体监测中,以及应用到个人健康的可穿戴设备上产生重大影响。

该研究的共同作者Larisa Florea教授解释说:"我们已经创建了响应性的、可打印的、微观的光学结构,可以进行实时监测,并用于检测气体。打印这种光学响应材料的能力对于将其纳入互联、低成本的传感设备方面具有深远的潜力"。

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△尽管体积小,但3D打印的传感器可以显示出其环境中的气体含量。图片来自Trinity College Dublin。

为什么我们需要监测气体?

毫不夸张地说,现在普通人大部分时间都是在室内度过的,无论是在家里,或是在车里,还是在办公室。根据弗罗雷亚的说法,在室内监测到的的污染物浓度可能要比室外的浓度高出5-100倍。当你考虑到世界卫生组织建议90%的世界人口生活在超过可接受的空气标准限制的地区时,这个数字的令人不安的属性就被放大了。

目前,主流的室内气体传感器几乎只关注泄漏、烟雾或一氧化碳检测,而对实时挥发性有机化合物(VOC)和氨气检测等利基市场基本没有涉及。

人体健康已然成为房屋建筑和生产设施中极为重要的考虑因素,那么我们也必须更加注重全面(但低成本)的环境监测生态系统。

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△3D打印的气体传感器可以根据周围的气体反映出不同的颜色。照片来自Trinity College Dublin。

3D打印的变色气体传感器

在开发气体传感器时,该团队选择使用自行研发的内部刺激反应型3D打印材料设计、建模和制作一套微观结构的原型。为了实现这种微小的结构,研究人员利用了双光子聚合的过程,这是一种非常精确的基于SLA的3D打印形式,用点状激光将树脂固化成微小的零件。

有趣的是,这些打印的传感器结构是从孔雀的羽毛中获得了灵感。众所周知,孔雀的羽毛会根据观察的角度而改变颜色,这种特性被称为虹彩效应。

该研究的主要作者Colm Delaney博士解释说:"300多年前,Robert Hooke首次研究了孔雀翅膀上的鲜艳色彩。几个世纪之后,科学家们才发现,这种鲜艳的色彩不是由传统的颜料造成的,而是由光与羽毛上的微小物体的相互作用造成的,这些物体的大小只有几百万分之一米。"

最终,德莱尼的团队设法让3D打印的传感器在应对不同的溶剂蒸汽时改变颜色。这是通过改变所用材料的配方以及结构的几何形状来实现的,因为观察角度也是影响传感器如何反射光线的一个因素。尽管它们比雀斑还小,但事实证明它们对于检测出所处环境的物理和化学成分是有用的。此外,3D打印的传感器成本低、可适应不同的刺激、电力消耗需求小,并且高度敏感,这都是他们研究成果的优势。

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微观气体传感器的SEM成像。图片来自Trinity College Dublin。

该研究的更多细节可以在题为 "Direct laser writing ofvapour-responsive photonic arrays"的论文中找到。


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增材制造的广泛的材料兼容性使其在传感器设备的应用上相当出色。今年早些时候,华盛顿州立大学(WSU)和DL ADV-Tech公司的工程师就曾使用3D打印技术开发了一种检测接触潜在致癌除草剂草甘膦的方法。该测试套件由一系列涂有3D打印传感器的纳米管组成,使用了与糖尿病血糖监测仪类似的技术,只是它利用电流来评估草甘膦水平。

在其他地方,圣克拉拉大学的研究人员最近使用3D打印技术建造了一个升级版的农业灌溉系统中的水化感应装置。通过重新设计、3D打印和迭代这些传感器的部件,工程师们已经能够很好地改善其热检测能力,并缩小了整体尺寸。


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