研究人员利用3D打印技术开发出微观变色的气体传感器，可用于有害气体检测

颗粒在线讯：2021年12月1日，来自都柏林三一学院（Trinity College Dublin）和SFI先进材料和生物工程研究中心（AMBER）的研究人员利用3D打印技术开发了一套新颖的微型气体传感器。

这些3D打印传感器的设计模仿了孔雀的变色羽毛，能够在某些溶剂蒸汽的存在下改变颜色。因此，它们可以被用来提供一种非常直观的危险污染物检测方式，同时在制造上具有显著的成本效益。

研究团队认为这套设备可能在家庭、汽车和工作场所的实时气体监测中，以及应用到个人健康的可穿戴设备上产生重大影响。

该研究的共同作者Larisa Florea教授解释说："我们已经创建了响应性的、可打印的、微观的光学结构，可以进行实时监测，并用于检测气体。打印这种光学响应材料的能力对于将其纳入互联、低成本的传感设备方面具有深远的潜力"。

△尽管体积小，但3D打印的传感器可以显示出其环境中的气体含量。图片来自Trinity College Dublin。

为什么我们需要监测气体？

毫不夸张地说，现在普通人大部分时间都是在室内度过的，无论是在家里，或是在车里，还是在办公室。根据弗罗雷亚的说法，在室内监测到的的污染物浓度可能要比室外的浓度高出5-100倍。当你考虑到世界卫生组织建议90%的世界人口生活在超过可接受的空气标准限制的地区时，这个数字的令人不安的属性就被放大了。

目前，主流的室内气体传感器几乎只关注泄漏、烟雾或一氧化碳检测，而对实时挥发性有机化合物（VOC）和氨气检测等利基市场基本没有涉及。

人体健康已然成为房屋建筑和生产设施中极为重要的考虑因素，那么我们也必须更加注重全面（但低成本）的环境监测生态系统。

△3D打印的气体传感器可以根据周围的气体反映出不同的颜色。照片来自Trinity College Dublin。

3D打印的变色气体传感器

在开发气体传感器时，该团队选择使用自行研发的内部刺激反应型3D打印材料设计、建模和制作一套微观结构的原型。为了实现这种微小的结构，研究人员利用了双光子聚合的过程，这是一种非常精确的基于SLA的3D打印形式，用点状激光将树脂固化成微小的零件。

有趣的是，这些打印的传感器结构是从孔雀的羽毛中获得了灵感。众所周知，孔雀的羽毛会根据观察的角度而改变颜色，这种特性被称为虹彩效应。

该研究的主要作者Colm Delaney博士解释说："300多年前，Robert Hooke首次研究了孔雀翅膀上的鲜艳色彩。几个世纪之后，科学家们才发现，这种鲜艳的色彩不是由传统的颜料造成的，而是由光与羽毛上的微小物体的相互作用造成的，这些物体的大小只有几百万分之一米。"

最终，德莱尼的团队设法让3D打印的传感器在应对不同的溶剂蒸汽时改变颜色。这是通过改变所用材料的配方以及结构的几何形状来实现的，因为观察角度也是影响传感器如何反射光线的一个因素。尽管它们比雀斑还小，但事实证明它们对于检测出所处环境的物理和化学成分是有用的。此外，3D打印的传感器成本低、可适应不同的刺激、电力消耗需求小，并且高度敏感，这都是他们研究成果的优势。

△微观气体传感器的SEM成像。图片来自Trinity College Dublin。

该研究的更多细节可以在题为 "Direct laser writing ofvapour-responsive photonic arrays"的论文中找到。

相关论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc01796a

增材制造的广泛的材料兼容性使其在传感器设备的应用上相当出色。今年早些时候，华盛顿州立大学（WSU）和DL ADV-Tech公司的工程师就曾使用3D打印技术开发了一种检测接触潜在致癌除草剂草甘膦的方法。该测试套件由一系列涂有3D打印传感器的纳米管组成，使用了与糖尿病血糖监测仪类似的技术，只是它利用电流来评估草甘膦水平。

在其他地方，圣克拉拉大学的研究人员最近使用3D打印技术建造了一个升级版的农业灌溉系统中的水化感应装置。通过重新设计、3D打印和迭代这些传感器的部件，工程师们已经能够很好地改善其热检测能力，并缩小了整体尺寸。