La tecnología de detección, fundamental para el monitoreo ambiental, la adquisición de datos y el procesamiento de datos de precisión, está evolucionando rápidamente. Los investigadores están a la vanguardia del desarrollo de sensores rápidos, accesibles y rentables. Entre estas innovaciones, los cristales líquidos colestéricos (CLC) en cristales fotónicos que responden a estímulos son excepcionalmente prometedores.
Su estructura helicoidal única y sus propiedades fotónicas permiten la producción de colores estructurales vívidos e independientes de la energía, allanando el camino para herramientas avanzadas de análisis visual. Sin embargo, un desafío importante obstaculiza la aplicación más amplia de CLC en la detección óptica:aunque alteran visiblemente el color en respuesta a estímulos, medir con precisión estos cambios requiere equipos espectroscópicos costosos, lo que limita su implementación práctica.
En respuesta a la creciente necesidad de elementos ópticos compactos y planos, los investigadores han investigado las fases geométricas de Pancharatnam-Berry, derivadas de las interacciones entre el espín y la órbita de la luz. Los desarrollos recientes incluyen la integración de la fase geométrica en la luz reflejada a través de superestructuras helicoidales CLC, lo que lleva a nuevas aplicaciones fotónicas.
En la óptica plana CLC, esta codificación de fase altera el campo de luz reflejada en diferentes bandas de ondas, creando patrones visuales distintos. Este método supera las técnicas tradicionales de detección de longitud de onda/frecuencia PBG. Además, el uso de vórtices ópticos (OV), que proporcionan momento angular orbital (OAM), se ha vuelto fundamental en la exploración de longitudes de onda sintonizables y OAM en haces de vórtices (VB).
Para mejorar la visualización de señales de detección, un equipo de investigadores de la Universidad de Xiamen y la Universidad de Nanjing en China desarrollaron una plataforma de detección visual de polímero de cristal líquido en fase colestérica (CLCP) que utiliza codificación de fase geométrica.
Esta plataforma genera de forma única señales de detección basadas en imágenes a través de patrones visuales en tiempo real, ofreciendo una alternativa más intuitiva y legible a los métodos convencionales basados en longitudes de onda/frecuencia. La investigación se publica en la revista Light:Science &Applications. .
Como prueba de concepto, el equipo demostró la detección de humedad utilizando películas CLCP especialmente preparadas, compuestas de monómeros de cristal líquido reactivos, fotoiniciadores y agentes quirales. A medida que aumenta la humedad, estas películas absorben agua, se expanden y experimentan un aumento de tono, lo que provoca el desplazamiento al rojo de la banda reflectante. Esto confirma la alta sensibilidad a la humedad, el rango de respuesta personalizable y la excelente reversibilidad del CLCP.
El equipo realizó un análisis de difracción de reflexión en profundidad de películas CLCP sensibles a la humedad, que codifican una sola placa q, utilizando un sistema de monitoreo de longitud de onda única. Estos experimentos revelaron que las películas CLCP pueden traducir eficazmente los cambios en la humedad ambiental en señales visuales. Este hallazgo subraya su idoneidad para aplicaciones de monitoreo en tiempo real y de largo alcance.
Para ampliar las capacidades de monitoreo de la humedad y detectar tendencias, los investigadores introdujeron dos enfoques innovadores para estudiar la interacción entre la humedad y la luz reflejada de las películas CLCP codificadas en fase geométrica (Fig. 3).
El primer enfoque amplió el rango de monitoreo incorporando una matriz de placas q de cuatro cuadrantes en las películas CLCP. Al curar con UV cada cuadrante a diferentes temperaturas, se lograron distintos rangos de humedad, correlacionándose con VB variables.
El segundo enfoque implicó un sistema de longitud de onda dual, creando dos VB de diferentes longitudes de onda. Estos VB formaron un patrón dinámico en "8", que consta de dos formas de "rosquilla", que responden a los cambios de humedad. Estos métodos han demostrado ser efectivos para abordar las limitaciones de los materiales CLCP, permitiendo el monitoreo de un rango de humedad más amplio y la detección de tendencias de humedad.
Este estudio presenta un nuevo método de detección óptica CLCP que utiliza codificación de fase geométrica, demostrado a través de películas sensibles a la humedad codificadas con placa q. Esta técnica permite la detección remota de humedad sin contacto, creando VB con patrones claros en forma de "rosquilla". Supera la detección tradicional de cristal líquido en precisión, rentabilidad y viabilidad comercial.
El enfoque se adapta a varios tipos de haces, incluidos los haces Bessel y Airy, y ofrece potencial para capacidades antiinterferencias y patrones visuales personalizables. Esta técnica, que integra el aprendizaje automático para la detección basada en imágenes, promete avances significativos en la tecnología de sensores.
Se prevé una futura integración con la tecnología de fibra óptica, allanando el camino para una monitorización ambiental innovadora en las redes de comunicación y energía.
Más información: Shi-Long Li et al, Cristales líquidos colestéricos que responden a estímulos codificados en fase geométrica para visualizar monitoreo remoto en tiempo real:detección de humedad como prueba de concepto, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01360-7
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
Proporcionado por la Academia de Ciencias de China
