Le capteur portable détecte les gaz toxiques, avec un hologramme

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) ont créé un petit capteur de gaz que vous pouvez placer sur vos lunettes ou vos gants comme un autocollant. Avec un affichage holographique, le capteur informe immédiatement l'utilisateur de la détection de gaz volatils.

La technologie portable pourrait un jour aider à prévenir les accidents de gaz liés aux fuites de gaz toxiques dans les usines, aux fuites de monoxyde de carbone des chaudières ou à la suffocation des gaz toxiques lors du nettoyage des regards.

Fonctionnement du capteur de gaz portable

Le capteur de 300 x 300 µm est composé d'une métasurface et d'une cellule à cristaux liquides (LC), sensible au gaz toxique. Lorsqu'un gaz est détecté, l'orientation des cellules change pour former un avertissement personnalisé.

Les hologrammes sont produits par la métasurface, qui fait disparaître les objets visibles en contrôlant l'indice de réfraction de la lumière.

Le changement d'orientation du cristal liquide dans la cellule inverse la polarisation circulaire de la lumière entrante de droite à gauche.

Cette lumière polarisée circulairement interagit ensuite avec la métasurface, qui est conçue pour produire deux hologrammes distincts, un pour chaque polarisation lumineuse.

Dans "l'état sûr", les LC sont configurés pour produire la polarisation de la lumière qui génère l'hologramme "sûr". L'exposition à un gaz toxique influence les LC à s'orienter de manière à produire la polarisation circulaire opposée, générant le signal d'hologramme "d'alarme".

"Nous obtenons une distribution de phase qui produit l'image souhaitée et organisons les nanostructures sur la métasurface en conséquence", a déclaré Trevon Badloe, chercheur chez POSTECH. "Ensuite, lorsque la métasurface est éclairée par une lumière polarisée circulairement, les images holographiques sont affichées."

Badloe et son équipe ont attaché la métasurface à la surface incurvée d'une paire de lunettes de sécurité.

Avec la métasurface, le capteur de gaz peut faire flotter une alarme d'image holographique dans l'espace en quelques secondes seulement en contrôlant la polarisation de la lumière transmise. Les hologrammes peuvent être amenés à apparaître au-dessus d'un échantillon, ou partout où le porteur décide de le mettre, dit Badloe.

"Nous avons utilisé l'éclairage laser pour produire les hologrammes, mais nous prévoyons d'intégrer l'appareil avec une petite source lumineuse telle que les OLED ou les MicroLED pour créer un appareil complet sur puce à l'avenir", a déclaré le chercheur.

Contrairement aux autres capteurs de gaz commerciaux conventionnels, l'appareil POSTECH ne nécessite aucun support d'appareils mécaniques ou électroniques externes.

Lors des tests, les chercheurs ont utilisé de l'alcool isopropylique, une substance toxique qui provoque des douleurs à l'estomac, des maux de tête et des étourdissements, comme gaz dangereux cible. Selon l'étude de l'équipe, le capteur a détecté même la quantité infime de gaz d'environ 200 ppm.

Le capteur de gaz flexible et portable est fabriqué rapidement, grâce à une méthode d'impression nanocomposite en une étape. La structure de la métasurface, préalablement traitée sur un substrat dur, est nanocoulée sur un substrat courbe ou flexible en une seule étape.

Quelle est la prochaine ?

Ensuite, les chercheurs développeront un capteur environnemental haute performance qui affiche le type et le niveau de concentration de gaz ou de produits biochimiques dans l'environnement avec une alarme holographique. Les ingénieurs étudient également des techniques de conception optique capables d'encoder diverses images holographiques. Les études, si elles réussissent, peuvent être utilisées pour réduire les accidents causés par des fuites biochimiques ou de gaz.

Les fabricants de capteurs, selon Badloe et son équipe, dirigée par le professeur POSTECH, le professeur Junsuk Rho, espèrent intégrer la technologie aux systèmes d'affichage AR de type verre en cours de développement chez Apple, Samsung, Google et Facebook.

Badloe, membre du groupe du professeur Rho et co-auteur du récent article des chercheurs dans Science Advances , s'est entretenu avec Tech Briefs par e-mail sur la façon dont il envisage un avenir d'images holographiques. Badloe a communiqué au nom de son équipe et en coordination avec le Dr Inki Kim, auteur principal de l'article.

Fiches techniques  :À quoi ressemble une "alarme holographique visuelle immédiate" ?

Trévon Badloe :L'alarme holographique visuelle peut afficher toutes les images choisies pour les états de sécurité et d'avertissement ; cela peut inclure du texte, des images ou des symboles. La méthode de conception et d'encodage des images dans la métasurface holographique est bien connue, elles sont donc choisies avant le processus de fabrication.

Fiches techniques :Quels gaz peut-on détecter avec ce capteur ?

Trévon Badloe :La fonctionnalité de la détection de gaz ne dépendant que de la cellule à cristaux liquides, la sélectivité de la réponse à certains gaz toxiques pourrait également être assez facilement intégrée à l'appareil. Nous avons testé et vérifié les temps de réponse lors de la détection de chloroforme, acétone, toluène, IPA, p-xylène, méthanol et DMF. Le temps de réponse du signal "sûr" à "alarme" dépend du dosage et du type de gaz.

Fiche technique s  : H comment concevez-vous un hologramme distinct dans la métasurface ?

Trévon Badloe  :Le processus est assez complexe, mais bien compris.

Tout d'abord, nous devons générer numériquement une carte de phase qui produit le motif d'interférence requis (c'est-à-dire l'image que nous voulons afficher) à l'emplacement souhaité. La conception d'un hologramme se fait par ordinateur, connue sous le nom d'holographie générée par ordinateur (CGH). Ici, nous avons utilisé la CGH "en phase uniquement". La génération de la carte de phase pour l'image requise est assez simple et bien comprise, utilisant le plus souvent l'algorithme de Gerchberg-Saxton . Ensuite, cette carte de phase est physiquement codée sur une métasurface à l'aide de nanostructures conçues pour présenter les caractéristiques de phase requises.

Fiches techniques  :Est-ce un processus difficile de créer deux hologrammes distincts ?

Trévon Badloe :Nous profitons du fait que nous pouvons induire des polarisations égales et opposées de la lumière (gauche et droite polarisées circulairement). Ensuite, nous pouvons combiner les deux cartes de phase distinctes d'une manière qui nous permet d'encoder les nanostructures en utilisant leurs caractéristiques de phase inhérentes, plus une compensation supplémentaire qui n'est liée qu'à la rotation des nanostructures (appelée phase de propagation et phase géométrique, respectivement ).

Fiches techniques  :Pouvez-vous me présenter un exemple d'application de ce capteur ?

Trévon Badloe :L'utilisation d'une cellule à cristaux liquides flexible et d'une métasurface peut nous permettre d'appliquer les alarmes visuelles de détection de gaz à n'importe quelle surface, qu'elle soit lisse et plate. À titre d'exemple, nous avons attaché la métasurface à la surface incurvée d'une paire de lunettes de sécurité. Ils peuvent également être attachés quelque part, comme les gants d'un utilisateur, ou n'importe où qu'il peut voir facilement pour fournir une alarme visuelle.

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Fiches techniques  :Quelle est la suite de vos recherches ?

Trévon Badloe :Comme recherche de suivi, nous allons produire un appareil qui non seulement fournit des signaux de sécurité et d'alarme, mais peut également donner à l'utilisateur des informations sur le niveau de gaz toxique présent. Par exemple, il pourrait être utile de connaître l'existence de gaz toxiques avant qu'ils n'atteignent des niveaux dangereux. Ensuite, les actions appropriées peuvent être entreprises pour arrêter le flux de gaz indésirable.

Fiches techniques  :Qu'est-ce qui vous passionne le plus dans cette technologie et ses possibilités ?

Trévon Badloe :Cette technologie prouve l'impact que les métasurfaces pourraient avoir dans des applications réelles. Avec la simple intégration de métasurfaces avec des cristaux liquides, de nombreuses fonctionnalités peuvent être réalisées. Les alarmes visuelles holographiques pourraient s'avérer extrêmement utiles dans divers domaines où des alarmes instantanées sont nécessaires pour la sécurité des utilisateurs, comme dans les laboratoires ou même dans des environnements militaires pour la détection rapide de gaz biologiquement dangereux.

Qu'en pensez-vous ? Voyez-vous d'autres utilisations des avertissements holographiques ? Partagez vos questions et commentaires ci-dessous.