Kolorimetrische Sensoren erkennen Umweltveränderungen durch intuitive Farbverschiebungen, die mit bloßem Auge leicht sichtbar sind, ohne dass zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist. Darüber hinaus arbeiten sie ohne Stromverbrauch. Durch die sichtbare Farbverschiebung, ohne dass zusätzliche Geräte erforderlich sind, haben diese Sensoren das Potenzial, eine entscheidende Rolle in Anwendungen wie Lebensmittelverpackungen und der Konservierung antiker Artefakte zu spielen, bei denen eine optimale Luftfeuchtigkeit für die Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung ist.
Für eine genaue Feuchtigkeitserkennung müssen kolorimetrische Sensoren ein breites Farbspektrum abdecken, eine lineare Korrelation zwischen Farbe und Feuchtigkeit aufweisen, schnell reagieren und eine Langzeitstabilität gewährleisten. Sensoren, die eine Färbung durch strukturelle Veränderungen erreichen, sind im Allgemeinen vorteilhafter als Sensoren, die auf chemischen Reaktionen basieren.
Unter diesen stechen Metall-Hydrogel-Metall (MHM)-Strukturen, die Fabry-Pérot-Resonanz nutzen, durch ihre Einfachheit und vielfältige Farberzeugung hervor, da Änderungen in der Dicke des Hydrogelhohlraums, häufig unter Verwendung von Quellmaterialien wie Chitosan, zu unterschiedlichen Farben führen. Herkömmliche Designs leiden jedoch immer noch unter einer eingeschränkten Farbdarstellung und einer langsamen Reaktionsfähigkeit.
Um diese Probleme anzugehen, hat ein Forschungsteam aus Südkorea unter der Leitung von Associate Professor Gil Ju Lee von der School of Electrical and Electronics Engineering der Pusan National University einen innovativen zweidimensionalen (2D) nanostrukturierten Fano Resonant Colorimetric Sensor (nFRCS) entwickelt.
Dr. Lee erklärt: „Unser Design führt Nanoloch-Arrays ein, die Fano-Resonanz und plasmonische Resonanzen nutzen und die Farbskala durch die Steuerung des Reflexionsspektrums von subtraktiver Färbung bis hin zu additiver Färbung erheblich erweitern. Darüber hinaus verbessern diese Nanolochkanäle auch die Reaktionsfähigkeit.“ Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Optik.
Das nFRCS besteht aus einer MHM-Struktur aus Silber-Chitosan-Silber mit einer dünnen Oberschicht und einer dicken Unterschicht. Das MHM verfügt außerdem über eine dünne, poröse Germanium-Beschichtung (Pr-Ge). Diese Beschichtung ist eine wichtige Ergänzung, die den MHM von einem Fabry-Perot-Resonator in einen Fano-Resonator verwandelt und die Farbdarstellung deutlich verbessert.
Darüber hinaus integriert nFRCS 2D-Nanoloch-Arrays (NHAs) in die MHM-Schicht, die einen direkten Weg für Wasserdämpfe in der Umgebung schaffen, um die Chitosan-Schicht zu erreichen und mit ihr zu interagieren. Aufgrund der hydrophilen Natur von Chitosan absorbiert das Chitosan unter sehr feuchten Bedingungen Wassermoleküle, wodurch es aufquillt, und gibt unter trockenen Bedingungen Wassermoleküle ab, wodurch sein Volumen schrumpft, was zu einer feuchtigkeitsabhängigen Farbänderung führt.
Diese NHAs verbessern auch die Reaktionsfähigkeit des Sensors und ihr geordnetes Muster erleichtert zusätzliche Licht-Materie-Wechselwirkungen wie Oberflächenplasmonenresonanz (SPP) und lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), wodurch die Leistung weiter gesteigert wird.
Die Forscher stellten den nFRCS-Sensor mithilfe der Roll-to-Plate-Nanoimprint-Lithographie (NIL) her, bei der ein stempelähnliches Verfahren zum Übertragen der nanoskaligen Muster auf die MHM-Schicht verwendet wird. Im Vergleich zu herkömmlichen teuren Nanostruktur-Herstellungstechniken spart diese Methode sowohl Zeit als auch Kosten.
In Experimenten zeigte das hergestellte nFRCS einen breiten Farbraum, der über dem Standard-RGB (sRGB) lag und eine sRGB-Abdeckung von 141 % und eine Adobe-RGB-Abdeckung von 105 % aufwies und damit frühere Studien übertraf. Darüber hinaus zeigte es eine hervorragende Reaktionsfähigkeit mit Reaktions- und Wiederherstellungszeiten von 287 bzw. 87 Millisekunden.
Dr. Lee hebt die breiteren Einsatzmöglichkeiten des Sensors hervor und sagt: „Über die Feuchtigkeitsmessung hinaus kann das nFRCS auch als Gesundheitsüberwachungsgerät, intelligente Anzeige und Innenmaterial dienen und auf äußere Reize reagieren, indem es deutliche Farbverschiebungen erzeugt. Dieses Design könnte als dienen.“ ein Rahmen für andere Arten von kolorimetrischen Sensoren, die neben der Luftfeuchtigkeit auch andere Umgebungsveränderungen erkennen.“
Insgesamt stellt dieser innovative Sensor einen bedeutenden Fortschritt für die stromlose Echtzeit-Umgebungsüberwachung dar.
Weitere Informationen:
Hee Jun Nam et al., Ultraschneller, resonanter kolorimetrischer Fano-Sensor mit hoher Chromatizität über Standard-RGB hinaus, Optik (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.532433