Optimización numérica de metasuperficies acopladas asimétricas. (A) Elementos de la metasuperficie propuesta que consisten en nanoantenas a-Si:H que muestran las distribuciones de intensidad de campo eléctrico y magnético para las nanoantenas con su eje largo paralelo al eje x (elemento izquierdo) y eje y (elemento derecho), bajo incidencia linealmente polarizada. La altura hy el desplazamiento d se fijan en 400 y 300 nm, respectivamente. (B) Eficiencia (TLR) del componente LCP transmitido bajo incidencia RCP en función de la longitud (L) y la anchura (w) de las nanoantenas. Los puntos rojos indican las geometrías de cuatro celdas unitarias seleccionadas que tienen una alta eficiencia de difracción al tiempo que tienen en cuenta la resolución de fabricación. (C) Cobertura de fase completa y modulación de frente de onda utilizando el conjunto seleccionado de ocho celdas unitarias. (D) Hologramas calculados para seguridad (cara sonriente, izquierda) y estados de alarma (signo de exclamación, derecha) obtenido de la metasuperficie acoplada asimétrica diseñada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe9943
Las sustancias biológicas y químicas se pueden detectar rápidamente en tiempo real con fines de vigilancia ambiental y de salud pública. En un nuevo informe ahora en Avances de la ciencia , Inki Kim y un equipo de investigación en ingeniería mecánica, La ciencia de los materiales y la ingeniería eléctrica en la República de Corea y Pakistán propusieron una plataforma de sensores compacta para integrar cristales líquidos (LC) y metasuperficies holográficas para detectar la existencia de un gas volátil. y luego proporcionar una alarma holográfica visual inmediata. El equipo combinó la configuración para formar sensores de gas ultracompactos sin instrumentos complejos para detectar gas a través de señales visuales. Los investigadores demostraron la aplicabilidad de los sensores compactos al integrar el sensor de gas basado en metasuperficie en gafas de seguridad a través de un proceso de nanocasting de un solo paso.
Metasuperficies integradas de cristal líquido
Los científicos de materiales han ideado una variedad de métodos para detectar sustancias objetivo y sus correspondientes plataformas de sensores, incluidas las eléctricas, cambios en la señal óptica y de radiofrecuencia o microondas. Entre los sensores, Los sensores basados en cristal líquido son adecuados debido a su sensibilidad y detección rápida en tiempo real. En este trabajo, Kim y col. propuso una plataforma de sensor compacta que combinaba cristales líquidos con metasuperficies holográficas conocidas como metasuperficies integradas en LC (LC-MS) para detectar un gas volátil y proporcionar retroalimentación instantánea a través de una alarma holográfica visual. El método integró las ventajas de la capacidad de respuesta a los estímulos de los cristales líquidos y la compacidad de las metasuperficies, mientras maximiza la efectividad del sensor al proporcionar conformación de detección de gas. El equipo desarrolló el holograma de metasuperficie utilizando silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) diseñado para reproducir diferentes imágenes holográficas basadas en la fase geométrica y de propagación de cada nanoestructura. Dependiendo de la presencia o ausencia de gases volátiles, la configuración podría transmitir diferentes estados de polarización de la luz.
Diseño de células de cristal líquido (LC) sensibles al gas y sus respuestas ópticas. (A) Esquema de la plataforma de sensor de gas metasuperficie holográfica propuesta. Una metasuperficie holográfica integrada con LC sensibles al gas proyecta una señal de seguridad (cara sonriente) en ausencia de un gas peligroso objetivo, mientras que se muestra una señal de alarma (signo de exclamación) al detectar el gas. La iluminación polarizada circularmente a la derecha (RCP; flecha amarilla) crea una "señal segura, ”Y la iluminación polarizada circularmente a la izquierda (LCP; flecha verde) produce una“ señal de alarma ”. (B) Ilustración esquemática (vista lateral) de LC sensibles al gas que se alojan en un micropocillo. Inicialmente, la celda LC tiene una configuración de anclaje híbrida debido a la orientación vertical de las LC en la interfaz de aire y la orientación tangencial unidireccional establecida por la poliimida frotada revestida sobre un sustrato de vidrio. Cuando se introducen gases volátiles, sin embargo, el orden de LC se reduce porque las moléculas de gas isotrópicas se dividen en la capa de LC. Como consecuencia, la transición de fase nemática a isotrópica se produce desde la interfaz de aire y la capa isotrópica se expande a medida que se difunden más moléculas de gas en las CL. (C a E) Micrografías ópticas secuenciales (parte superior) de la celda de LC tras la exposición de gas IPA; vea la película S1. Barra de escala, 100 μm. Los recuadros de (C) a (E) muestran las micrografías de vista lateral correspondientes. La celda de LC se coloca en una cámara cerrada con una concentración de gas IPA de alrededor de 200 ppm. Las flechas blancas representan la polarización del polarizador (entrada) y del analizador (salida). Las flechas azules representan la dirección de frotamiento. (F) Retardo medido y espesor de capa isotrópico calculado a lo largo del tiempo. Los datos correspondientes a (C) a (E) están marcados con azul, verde, y puntos rojos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe9943 
El equipo reguló el orden molecular de los cristales líquidos a través de una variedad de estímulos externos. Kim y col. Observó y caracterizó por primera vez la capacidad de respuesta de los LC a los gases en la geometría más simple. Para lograr esto, llenaron una estructura de micropocillos con nemáticos (relacionados con, o siendo la fase de un cristal líquido). Durante los experimentos, los científicos utilizaron un gas de alcohol isopropílico (IPA) como gas peligroso objetivo para la detección. Cuando expusieron gas IPA a una concentración constante en una celda de cámara cerrada, pasó de blanco a coloreado. Los resultados indicaron la capacidad de la celda LC para detectar rápidamente gases tóxicos. Luego, el equipo realizó experimentos con una variedad de gases con diversas condiciones de dosis para medir los marcos de tiempo de detección en alrededor de 1.3 segundos para el cloroformo. 1,6 segundos para acetona, 13,9 segundos para gas IPA y 58,3 segundos para metanol. Con dosis más altas, observaron tasas de respuesta más rápidas.
Diseño de metahologramas codificados por espín con interacción asimétrica espín-órbita.
Los científicos diseñaron la metasuperficie con codificación de espín basándose en el método de modulación de fase Pancharatnam-Berry (PB) convencional para comprender la simetría inherente al espín y los grados de interacción. La eficiencia total resultante del dispositivo fue solo del 50 por ciento. Para superar la pérdida de energía óptica, El equipo diseñó la metasuperficie a través de la codificación de espín a través del acoplamiento asimétrico para que funcione con la luz polarizada circularmente a la izquierda (LCP) y la luz polarizada circularmente a la derecha (RCP) para ayudar a romper el límite de eficiencia convencional. El confinamiento de resonancias magnetoeléctricas dentro de las nano antenas validó el procedimiento de optimización. El equipo seleccionó el tamaño de las nanoantenas en función de su capacidad para retener una alta eficiencia de transmisión y un cambio de fase incremental fijo. Desarrollaron hologramas para estados seguros (cara sonriente) y de alarma (signo de exclamación) obtenidos de la metasuperficie acoplada asimétrica diseñada. Para validar la funcionalidad de la metasuperficie acoplada asimétrica, Kim y col. simuló numéricamente un metaholograma con software de simulación electromagnética de onda completa disponible comercialmente — Lumerical Inc.
Sensores de gas holográficos y aplicaciones portátiles
Los científicos visualizaron la exposición al gas en tiempo real utilizando el sistema LC-MS sensible al gas. Luego probaron la capacidad de detección, las velocidades de conmutación rápidas de la imagen holográfica y la alta eficiencia de difracción del sensor de gas en la configuración óptica al exponerse a un gas volátil. Kim y col. utilizó una fuente de gas volátil ubicua, es decir, un rotulador de cartón que contiene varios disolventes orgánicos, incluido IPA (alcohol isopropílico). Los dispositivos de metaholograma contenían una nanoantena a-Si:H. En ausencia del gas volátil, el sensor proyectaba una imagen holográfica sonriente como señal de seguridad. Tras la exposición al gas, el letrero cambió instantáneamente a un signo de exclamación para proporcionar un "signo de alarma". Este proceso ocurrió cuando los gases volátiles de la pluma se difundieron en la capa de cristal líquido, que redujo el retardo óptico para convertir la polarización del haz de polarización de salida de RCP (luz polarizada circularmente a la derecha) a LCP (luz polarizada circularmente a la izquierda). Cuando el equipo retiró el gas, el holograma se restauró rápidamente a su señal de seguridad, a medida que los cristales líquidos volvían a su orientación inicial. El proceso podría ocurrir en unos pocos segundos y la distancia del marcador al sensor no afectó el tiempo de respuesta. Este tipo de sensor tendrá aplicaciones para detectar la exposición a gases nocivos durante el transporte o el almacenamiento de productos sensibles a los gases. El equipo también puede extender la aplicación desarrollando dispositivos portátiles basados en metasuperficies flexibles formadas a través de un proceso de nanocasting de un solo paso. A diferencia de la nanoimpresión convencional, Kim y col. incluyó una resina curable ultravioleta (UV) funcionalizada con nanopartículas de óxido de titanio como un compuesto de resina para su uso como una metasuperficie dieléctrica durante el proceso, sin utilizar complejos procesos de nanofabricación. Este proceso también es adecuado para la fabricación en serie.
Demostración de un sensor de gas LC-MS. (A) Configuración óptica para un sensor de gas LC-MS (HWP, placa de media onda; M1, espejo 1; M2, Espejo 2; PAG, polarizador QWP, placa de cuarto de onda). En ausencia de gas IPA, la luz RCP iluminada en el sensor LC-MS pasa la capa LC sin conversión de polarización y se transmite a la metasuperficie. A diferencia de, la capa LC convierte el RCP entrante en luz LCP tras la exposición del gas IPA. (B) Fotografías de un sensor de gas LC-MS con un marcador de tablero como fuente de gases volátiles, incluido el IPA. Barra de escala, 3 mm. Crédito de la foto:Inki Kim, POSTECH. (C) Imágenes ópticas y SEM de la metasuperficie dieléctrica integrada. Barra de escala, 100 μm. (D) Alarmas de imágenes holográficas resultantes. Tras la exposición de los gases del marcador del tablero, el sensor LC-MS muestra rápidamente la señal de alarma en unos pocos segundos y recupera la señal de seguridad inicial una vez que se eliminan los gases. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe9943 
Como prueba de concepto, luego imprimieron un sensor de gas holográfico flexible y conforme en una película flexible de tereftalato de polietileno (PET) y lo adhirieron a la superficie de las gafas de seguridad. Luego, el equipo optimizó los parámetros de la metasuperficie compuesta de nanopartículas y resina para luz incidente de longitud de onda de 532 nm, aunque la construcción también funcionó en una gama más amplia de longitudes de onda. De este modo, Kim y col. desarrolló una clara alarma holográfica. En el futuro, pueden miniaturizar e integrar el sensor de gas flexible y conforme propuesto para establecer completamente sensores de gas compactos y portátiles. Estos sensores funcionaron sin dispositivos mecánicos y electrónicos complejos adicionales para permitir sensores de gas portátiles de bajo costo que se pueden integrar en las fábricas. aplicaciones de construcción y limpieza. El dispositivo también puede funcionar en modo reflectante mediante el uso de luz ambiental en lugar de una fuente de luz interna para desarrollar más barato, plataformas de sensores más simples y miniaturizadas.
Demostración de un sensor de gas LC-MS flexible y un dispositivo de seguridad integrado. (A) Ilustración esquemática de un proceso de fabricación de nanocasting en un solo paso de una metasuperficie flexible. El sello maestro fabricado con metasuperficie a-Si:H de 1 μm de altura se trata químicamente para reducir la fuerza adhesiva y facilitar el proceso de desmoldeo. El molde de polímero desprendido es reutilizable. (B) Imagen SEM (vista superior) del sello maestro de silicio para el proceso de nanocasting. El recuadro muestra una imagen de vista inclinada. (C) Fotografía de la metasuperficie flexible resultante. (D) Imagen SEM correspondiente (vista superior) de la metasuperficie compuesta de resina NP (NPC). El recuadro muestra una imagen de vista inclinada. Crédito de la foto:Inki Kim, POSTECH. (E a G) Sensor de gas de metasuperficie holográfico flexible y conforme. El sensor completo, que consta de una celda LC flexible y una metasuperficie NPC, se fija a la superficie curva de las gafas de seguridad. Similar a la caracterización de los metahologramas a-Si:H, La luz RCP de longitud de onda de 532 nm se ilumina en el sensor de gas flexible para mostrar imágenes holográficas. La célula LC y la metasuperficie NPC se combinan bien. Crédito de la foto:Inki Kim, POSTECH. (H e I) Señal de seguridad holográfica demostrada experimentalmente en condiciones normales y señal de alarma tras una exposición a gas IPA. En comparación con el dispositivo a-Si:H, la metasuperficie NPC no solo tiene dimensiones críticas más pequeñas y una altura mayor, lo que significa una relación de aspecto más alta, pero también tiene algunos defectos durante el proceso de impresión. Por lo tanto, la eficiencia de difracción y la claridad de las imágenes holográficas se degradan. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe9943
panorama
De este modo, Inki Kim y sus colegas propusieron reglas de diseño generales y versátiles para aprovechar el potencial de los sistemas de metasuperficie dinámicamente ajustables y sensibles a estímulos. La plataforma de sensor de gas LC-MS propuesta proporcionó un sistema de alarma visual rápido adecuado para detectar gases tóxicos, el equipo verificó los sensores de gas diseñados en relación con su practicidad y viabilidad para formar un ultracompacto, Sistema de sensor de gas rentable y fácil de usar que funcionaba sin requisitos complejos. El sistema es aplicable como sensores portátiles para prevenir accidentes por intoxicación por gas, donde el sensor se puede montar en guantes o anteojos para dar una advertencia visual rápida a través de alarmas holográficas.
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