作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 不对称耦合亚曲面的数值优化
由非晶硅纳米天线组成的拟议亚表面的元素，显示了纳米天线的电场和磁场强度分布，其长轴平行于x轴(左元素)和y轴(右元素)，在线性极化入射下
高度h和位移d分别固定在400和300纳米
在雷达散射截面入射下发射的低成本组件的效率(TLR)，作为纳米天线长度和宽度的函数
红点表示四个选定单元的几何形状，这些单元在考虑制造分辨率的同时具有高衍射效率
(三)全相位覆盖和使用选定的八个单元的波前调制
从设计的不对称耦合元表面获得的安全(笑脸，左)和报警状态(感叹号，右)的计算全息图
信用:《科学进展》，doi: 10
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abe9943 为了公共卫生和环境监测的目的，可以实时快速检测生物和化学物质
在最近一份关于《科学进展》的新报告中，金英奇和一个在韩国和巴基斯坦的机械工程、材料科学和电气工程研究小组提出了一个紧凑的传感器平台，该平台集成了液晶和全息元表面，以检测挥发性气体的存在，然后提供即时可视全息报警
该团队将这种设置组合起来，形成了无需复杂仪器的超小型气体传感器，以便通过视觉线索检测气体
研究人员通过一步纳米铸造工艺将基于亚表面的气体传感器集成到护目镜上，从而证明了紧凑型传感器的适用性
液晶集成元表面 材料科学家设计了多种方法来检测目标物质及其相应的传感器平台，包括电、光和射频或微波信号变化
在这些传感器中，基于液晶的传感器由于其灵敏度和实时快速检测而适合
在这项工作中，金等人
提出了一种紧凑的传感器平台，该平台将液晶与全息元表面(称为液晶集成元表面)相结合，以感测挥发性气体，并通过视觉全息警报提供即时反馈
该方法综合了液晶的刺激响应性和亚表面的紧凑性的优点，同时通过提供气体传感构造使传感器的效率最大化
该团队使用氢化非晶硅(非晶硅:氢)开发了亚表面全息图，旨在根据每个纳米结构的几何和传播相位复制不同的全息图像
根据挥发性气体的存在与否，该装置可以传输不同偏振态的光
气敏液晶盒的设计及其光学响应
(一)拟建全息元表面气体传感器平台示意图
在没有目标危险气体的情况下，集成有气体响应LCs的全息元表面投射安全信号(笑脸)，同时在检测到气体时显示报警信号(感叹号)
右旋圆极化(RCP黄色箭头)照明产生一个“安全信号”，并左圆偏振(LCP绿色箭头)照明产生“报警信号”
"(二)微孔中气体敏感液晶的示意图(侧视图)
最初，液晶盒具有混合锚定结构，因为液晶盒在空气界面处的垂直取向和由涂覆在玻璃基板上的摩擦聚酰亚胺设定的单向切向取向
然而，当引入挥发性气体时，液晶有序性降低，因为各向同性气体分子分配到液晶层中
因此，从空气界面发生向列到各向同性的相变，并且随着更多的气体分子扩散到液晶中，各向同性层膨胀
暴露于异丙醇气体时液晶盒的连续光学显微照片(顶部)；看电影《S1》
比例尺，100微米
(C)至(E)中的插图显示了相应的侧视图显微照片
液相色谱池放置在一个封闭的室内，异丙醇气体的浓度约为200 ppm
白色箭头表示偏振器(输入)和分析器(输出)的偏振
蓝色箭头代表摩擦方向
测量的延迟和计算的各向同性层厚度随时间的变化
对应于(C)至(E)的数据由蓝色、绿色和红色点标记
信用:《科学进展》，doi: 10
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abe9943 设计气敏液晶盒 该团队通过各种外部刺激来调节液晶的分子顺序
Kim等人
首次以最简单的几何形状观察并表征了液晶的气体响应性
为了实现这一点，他们在微孔结构中填充了线状物质(与液晶相有关，或者是液晶相)
在实验过程中，科学家们使用异丙醇气体作为检测的目标有害气体
当他们将浓度恒定的异丙醇气体暴露在密闭室中时，气体从白色转变为彩色
结果表明液相色谱细胞能够迅速检测有毒气体
该小组随后用一系列不同剂量条件的气体进行了实验，以测量大约1
氯仿3秒，1
丙酮6秒，13
IPA气体9秒，58秒
甲醇3秒
使用更高的剂量，他们观察到更快的反应速度
利用非对称自旋轨道相互作用设计自旋编码元全息图
当液晶回到它们最初的方向时，全息图迅速恢复到安全标志
信用:《科学进展》，doi: 10
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abe9943 科学家们基于传统的潘查特南-贝里相位调制方法设计了自旋编码的亚表面，以理解自旋固有的对称性和相互作用的程度
该装置的总效率仅为50%
为了克服光能损失，该团队通过不对称耦合的自旋编码设计了亚表面，用于左圆偏振光和右圆偏振光，以帮助打破传统的效率限制
纳米天线中磁电共振的限制验证了优化过程
该团队根据纳米天线保持高传输效率和固定增量相移的能力来选择纳米天线的尺寸
他们开发了安全(笑脸)和报警状态(感叹号)的全息图，从设计的不对称耦合元表面获得
为了验证非对称耦合元曲面的功能
用商业上可获得的全波电磁模拟软件——Lumerical公司——对一个元全息图进行数值模拟
全息气体传感器和可穿戴应用 科学家们使用气体响应液相色谱-质谱系统可视化了实时气体暴露
然后，他们测试了在暴露于挥发性气体的光学装置中，气体传感器的传感能力、全息图像的快速转换速率和高衍射效率
Kim等人
使用无处不在的挥发性气体源I
e
，一种包含各种有机溶剂(包括异丙醇)的记号笔
超全息图器件包含一个非晶硅纳米天线
在没有挥发性气体的情况下，传感器投射出一个微笑的全息图像作为安全标志
一旦暴露在气体中，该标志立即转换成感叹号，以提供“报警信号”
这个过程发生在当挥发性气体从笔扩散到液晶层时，这降低了将输出偏振光束的偏振从RCP(右圆偏振光)转换成LCP(左圆偏振光)的光学延迟
当研究小组移除气体时，随着液晶回到它们最初的方向，全息图迅速恢复到它的安全标志
该过程可能在几秒钟内发生，并且标记与传感器的距离不会影响响应时间
这种类型的传感器可用于检测运输或气敏产品储存过程中有害气体的暴露
该团队还可以通过开发基于通过一步纳米铸造过程形成的灵活元表面的可穿戴设备来扩展应用
与传统的纳米印刷不同，金等人
包括功能化的紫外(UV)可固化树脂，该树脂具有作为树脂复合物的氧化钛纳米颗粒，在该过程中用作介电亚表面，而不使用复杂的纳米制造过程
这种工艺也适合大规模生产
液相色谱-质谱气体传感器演示
液相色谱-质谱气体传感器的光学装置(HWP，半波片；M1，镜子1；M2，镜子2；p，偏光镜；QWP，四分之一波片)
在没有异丙醇气体的情况下，照射在液相色谱-质谱传感器上的RCP光通过液相色谱层，没有任何偏振转换，并被传输到亚表面
相比之下，液晶层在暴露于异丙醇气体时将入射的RCP转换成液晶光
(二)液相色谱-质谱气体传感器的照片，带有作为挥发性气体(包括异丙醇)来源的记号笔
比例尺，3毫米
照片信用:Inki Kim，POSTECH
集成电介质亚表面的光学和扫描电镜图像
比例尺，100微米
(四)产生全息图像警报
当气体从板标记器中暴露出来时，液相色谱-质谱传感器会在几秒钟内迅速显示报警信号，并在气体被清除后恢复初始安全信号
信用:《科学进展》，doi: 10
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abe9943 概念证明 作为概念的证明，他们随后在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上印刷了一个柔性的共形全息气体传感器，并将其附着在护目镜的表面
该团队随后针对532纳米波长的入射光优化了纳米粒子-树脂复合物亚表面的参数，尽管该结构也在更宽的波长范围内发挥作用
这样，金等人
开发了清晰的全息报警器
将来，他们可以将提出的柔性和共形气体传感器小型化和集成，以完全建立可佩戴和紧凑的气体传感器
这些传感器在没有任何额外的复杂机械和电子设备的情况下运行，使得低成本的可穿戴气体传感器能够集成到工厂、建筑和清洁应用中
该设备还可以通过使用环境光代替内部光源来开发更便宜、更简单和小型化的传感器平台，从而在反射模式下工作
柔性液相色谱-质谱气体传感器和集成安全装置的演示
(一)柔性亚表面的一步纳米铸造制造工艺的示意图
用1微米高度的非晶硅亚表面制作的主印模经过化学处理，以降低粘合强度，使脱模过程更容易
分离的聚合物模具可重复使用
用于纳米铸造工艺的硅母模的扫描电镜图像(俯视图)
插图显示了倾斜视图图像
(三)生成的柔性元曲面的照片
(四)对应的扫描电镜图像(俯视图)的纳米复合树脂(NPC)亚表面
插图显示了倾斜视图图像
照片信用:Inki Kim，POSTECH
柔性共形全息元表面气体传感器
整个传感器由一个柔性液晶盒和一个NPC元表面组成，安装在护目镜的曲面上
类似于非晶硅氢元全息图的特征，532纳米波长的RCP光被照射到柔性气体传感器上以显示全息图像
液晶盒和NPC元表面结合得很好
照片信用:Inki Kim，POSTECH
(氢和碘)在正常条件下实验证明全息安全信号和暴露于异丙醇气体时的报警信号
与非晶硅器件相比，NPC亚表面不仅具有更小的临界尺寸和更大的高度，意味着更高的纵横比，而且在压印过程中还存在一些缺陷
因此，全息图像的衍射效率和清晰度降低
信用:《科学进展》，doi: 10
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abe9943 前景 通过这种方式，Kim Inki和他的同事提出了通用和通用的设计规则，以实现动态可调和刺激响应元表面系统的潜力
所提出的液相色谱-质谱气体传感器平台提供了一个适用于检测有毒气体的快速视觉报警系统，该团队验证了所设计的气体传感器的实用性和可行性，以形成一个超紧凑、经济高效和用户友好的气体传感器系统，无需复杂的要求即可工作
该系统可用作可穿戴传感器，以防止气体中毒事故，传感器可安装在手套或眼镜上，通过全息警报发出及时的视觉警告
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