Snel reagerende colorimetrische sensor voor realtime monitoring heeft het kleurengamma uitgebreid

Colorimetrische sensoren detecteren veranderingen in de omgeving door intuïtief kleuren te verschuiven, gemakkelijk zichtbaar voor het blote oog zonder dat extra apparatuur nodig is. Bovendien werken ze zonder stroomverbruik. Door de kleur zichtbaar te veranderen, zonder dat er extra apparatuur nodig is, kunnen deze sensoren een cruciale rol spelen in toepassingen zoals voedselverpakkingen en het behoud van oude artefacten, waarbij een optimale luchtvochtigheid cruciaal is voor kwaliteitscontrole.

Voor nauwkeurige vochtigheidsdetectie moeten colorimetrische sensoren een breed scala aan kleuren bestrijken, een lineaire correlatie tussen kleur en vochtigheid aantonen, snel reageren en stabiliteit op de lange termijn behouden. Sensoren die kleuring bereiken door structurele veranderingen zijn over het algemeen voordeliger dan op chemische reacties gebaseerde sensoren.

Hiervan vallen metaal-hydrogel-metaal (MHM) -structuren die gebruik maken van Fabry-Pérot-resonantie op vanwege hun eenvoud en gevarieerde kleurgeneratie, omdat veranderingen in de dikte van de hydrogelholte, vaak met behulp van zwellende materialen zoals chitosan, tot verschillende kleuren leiden. Conventionele ontwerpen hebben echter nog steeds last van een beperkte kleurweergave en een trage reactiesnelheid.

Om deze problemen aan te pakken heeft een onderzoeksteam uit Zuid-Korea, onder leiding van universitair hoofddocent Gil Ju Lee van de School of Electrical and Electronics Engineering aan de Pusan ​​National University, een innovatieve tweedimensionale (2D) nanogestructureerde Fano-resonante colorimetrische sensor (nFRCS) ontwikkeld.

Dr. Lee legt uit: “Ons ontwerp introduceert nanohole-arrays die gebruik maken van Fano-resonantie en plasmonische resonanties, waardoor het kleurengamma aanzienlijk wordt verbeterd door het reflectiespectrum te regelen van subtractieve kleuring tot additieve kleuring. Bovendien verbeteren deze nanohole-kanalen ook de responsiviteit.” De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Optiek.

De nFRCS bestaat uit een MHM-structuur van zilver-chitosan-zilver met een dunne bovenlaag en een dikke onderlaag. De MHM heeft bovendien een dunne, poreuze germanium (Pr-Ge) coating. Deze coating is een belangrijke toevoeging die de MHM transformeert van een Fabry-Perot-resonator naar een Fano-resonator, waardoor de kleurweergave aanzienlijk wordt verbeterd.

Bovendien integreert nFRCS 2D nanohole-arrays (NHA’s) in de MHM-laag die een directe route bepalen voor waterdampen in de omgeving om de chitosanlaag te bereiken en ermee te interacteren. Vanwege de hydrofiele aard van chitosan absorbeert chitosan in zeer vochtige omstandigheden watermoleculen, waardoor het opzwelt, en in droge omstandigheden laat het watermoleculen vrij, waardoor het volume kleiner wordt, wat resulteert in een kleurverandering die afhankelijk is van het vochtigheidsniveau.

Deze NHA’s verbeteren ook het reactievermogen van de sensor, en hun ordelijke patroon vergemakkelijkt aanvullende interacties tussen licht en materie, zoals oppervlakte-plasmonresonantie (SPP) en lokale oppervlakte-plasmonresonantie (LSPR), waardoor de prestaties verder worden verbeterd.

De onderzoekers vervaardigden de nFRCS-sensor met behulp van roll-to-plate nano-imprint lithografie (NIL), die een stempelachtige methode gebruikt om de patronen op nanoschaal over te brengen naar de MHM-laag. Vergeleken met conventionele dure fabricagetechnieken voor nanostructuren bespaart deze methode zowel tijd als kosten.

In experimenten vertoonde de gefabriceerde nFRCS een breed kleurengamma, dat de standaard RGB (sRGB) overtrof, met een dekking van 141% sRGB en 105% Adobe RGB-dekking, wat beter presteerde dan eerdere onderzoeken. Bovendien toonde het een uitstekende responsiviteit met respons- en hersteltijden van respectievelijk 287 en 87 milliseconden.

Dr. Lee benadrukt de bredere toepassingen van de sensor en zegt: “Naast vochtigheidsdetectie kan de nFRCS ook dienen als apparaten voor gezondheidsmonitoring, intelligente displays en interieurmaterialen, die reageren op externe stimuli door duidelijke kleurverschuivingen te genereren. Dit ontwerp zou kunnen dienen als een raamwerk voor andere soorten colorimetrische sensoren die andere omgevingsveranderingen dan vochtigheid detecteren.”

Over het geheel genomen markeert deze innovatieve sensor een aanzienlijke sprong voorwaarts voor real-time omgevingsmonitoring zonder stroom.