濕度敏感的比色傳感器比傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器快 10,000 倍。

原產(chǎn)于中美洲和南美洲熱帶雨林的大力神甲蟲會(huì)在其環(huán)境中的相對濕度水平發(fā)生變化時(shí)改變其外殼顏色。甲蟲的外殼在低濕度下呈橄欖綠色或黃色，在較高濕度下呈近黑色——這是光折射變化的結(jié)果。 

從大力神甲蟲的外殼中汲取靈感，浦項(xiàng)科技大學(xué) (POSTECH) 的一組研究人員制造了一種實(shí)時(shí)“超快”濕度傳感光學(xué)傳感器。

典型的光學(xué)濕度傳感器如何工作。圖片由MDPI提供

光學(xué)中的關(guān)鍵儀器：法布里-珀羅干涉儀 

為了開發(fā)這種傳感器，研究人員研究了一種常見的光學(xué)儀器，即 法布里-珀羅干涉儀（或“標(biāo)準(zhǔn)具”）。標(biāo)準(zhǔn)具具有兩個(gè)平行的部分鍍銀表面。在這兩個(gè)表面之間的空腔中，光波可以來回反射——只有當(dāng)它們與之共振時(shí)。由于腔內(nèi)有多個(gè)光束干涉，干涉儀可以提供極高的分辨率。

法布里-珀羅干涉儀示意圖。圖片來自 Stigmatella aurantiaca [ CC BY-SA 3.0 ]

相比之下，POSTECH 研究人員使用的傳感器包括金屬納米顆粒之間的間隙，從而產(chǎn)生了許多膜狀孔隙。這些孔隙使原型的速度比傳統(tǒng)的基于法布里-珀羅干涉儀的光學(xué)傳感器快 10,000 倍。

該傳感器與許多其他用于測量相對濕度的比色指示器一樣工作：隨著相對濕度水平的變化，比色指示器呈現(xiàn)出肉眼可觀察到的不同顏色——紅色、綠色、藍(lán)色。

研究人員使用高度水敏感的標(biāo)準(zhǔn)具

研究人員的新型比色傳感器基于可調(diào)諧的法布里-珀羅式諧振器。該諧振器包括無序金屬納米粒子的頂層和金屬鏡的底層。在這兩層之間是氣體響應(yīng)介質(zhì)。

當(dāng)類法布里-珀羅諧振器與外部濕氣接觸時(shí)，它會(huì)從內(nèi)部水凝膠薄膜中產(chǎn)生諧振頻率。共振頻率取決于水凝膠膜的厚度和折射率。

隨著濕度的變化，殼聚糖水凝膠會(huì)膨脹和收縮。 圖片由Science Advances提供

POSTECH 研究人員聲稱，這種殼聚糖（一種可生物降解的聚合物）水凝膠薄膜可以像超級海綿一樣快速膨脹和收縮：它可以吸收其周圍近 1,000 重量百分比的干重的水分。這種高吸水性質(zhì)量來自水分子和殼聚糖聚合物之間的氫鍵。 

金屬納米粒子水凝膠-鏡面標(biāo)準(zhǔn)具在潮濕和干燥狀態(tài)下的特寫視圖。圖片由POSTECH提供

用于安全的濕度敏感光學(xué)傳感器

借助這種對濕度敏感的光學(xué)傳感器，研究人員設(shè)想了許多安全應(yīng)用——從 3D QR 碼到防偽用例。首席研究員 Rho 教授指出，使用這種水響應(yīng)彩色像素的安全代碼可以集成到電子設(shè)備、身份證、護(hù)照和對濕度敏感的鈔票的安全標(biāo)簽中。 

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，光學(xué)傳感器甚至可以用于氣體和水蒸氣檢測；憑借原型的快速比色傳感能力，它可用于傳感氫和氧等單原子氣體、揮發(fā)性有機(jī)化合物以及硫化氫和氮氧化物等有毒氣體。

這項(xiàng)研究由三星研究基金及其未來技術(shù)孵化中心資助。