Освоена 3D-печать биоимитирующих газовых датчиков
Исследователи из дублинского Тринити-колледжа и AMBER (Ирландский Исследовательский центр перспективных материалов и биотехнологических исследований) успешно напечатали микроскопические газовые сенсоры, имитирующие биологические механизмы изменения цвета пера павлина.
Результаты были опубликованы в статье «Прямая лазерная запись фотонных массивов реагирующих на пар» (Direct laser writing of vapour-responsive photonic arrays) в журнале Journal of Materials Chemistry.
Как можно догадаться по названию, датчики оптически реагируют на следы газа в окружающей среде, и могут найти применение для обеспечения здоровья и безопасности человека. Например, как элементы спецодежды или в системах оповещения о химическом заражении.
Различная толщина структуры плаcтины даёт разные цвета (Изображение предоставлено: Тринити-колледж/AMBER)
Датчики, напечатаны методом прямой лазерной 3D-печати, состоят из тонких пластиковых пластин, которые "разбухают" при воздействии определённых паров или газов. Набухая пластины меняют свою структуру и проходящий через них свет изменяет цвет. Маленькие пластины можно использовать в пиксельных массивах (см. картинку выше). Цвета и чувствительность можно менять, варьируя толщину пластин. В статье показано, что самые большие изменения в цвете наблюдались у экземпляров большей толщины.
После прекращения воздействия газа или пара, микростуктура пластин возвращается в исходное состояние, и вместе с ним проходящий через них свет. Это указывает, что у пластин есть потенциал для повторного использования.
Печать датчики на 3D-принтерах потенциально предлагает низкие затраты и стоимость изготовления. При этом у метода более высокая чувствительность по отношения к приборам, существующим на сегодняшний момент, которые требуют датчики, систему передачи данных и последующую электронную обработку и анализ.
«Мы проводим большую часть жизни в наших домах, машинах или на работе. Модели показывают, что концентрация загрязняющих веществ может в 5–100 раз превышать концентрацию на улице», — сказала Лариса Флореа, профессор Тринити-колледжа и AMBER. «На эти загрязнители могут влиять окружающий воздух, химическое присутствие, запахи, качество продуктов питания и деятельность человека, и они оказывают сильное влияние на наше здоровье. Вот почему датчики потенциально могут найти применение для здоровья и благополучия человека».
Как упоминалось ранее, метод работы пластин аналогичен тому, как павлинье перо меняет цвет при изгибе и движении. Окраска многих существ (или растений) в природе зависит от цветовой пигментации, однако такие животные, как павлины или некоторые виды бабочек, меняют цвет, физически изменяя геометрию поверхности своего покрытия, что заставляет свет отражаться/преломляться на разных длинах волн.
СЭМ-изображения (вверху) и изображения, полученные с помощью оптической микроскопии в зависимости от угла (снизу).
Структура меняет цвет, потому что деформируется при «набухании» (Изображение предоставлено: Тринити-колледж/AMBER).
«Более 300 лет назад Роберт Гук впервые исследовал яркие цвета на крыле павлина. Только столетия спустя учёные обнаружили, что „бархатная“ окраска была вызвана не традиционными пигментами, а взаимодействием света с крошечными объектами на пере, объектами размером всего несколько микрометров», — сказал доктор. Колм Делани, ведущий автор журнальной статьи.
«Мы взяли этот биологический дизайн, от сороки до хамелеона, чтобы создать действительно интересные материалы. Мы достигаем этого с помощью техники, известной как прямая лазерная запись (DLW), которая позволяет нам сфокусировать лазер в очень маленькое пятно, а затем использовать его для создания крошечных трёхмерных структур из мягких полимеров, которые мы разрабатываем в лаборатория.»