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.»