NIMS, die Harvard University und die University of Connecticut haben ein einfaches Gerät entwickelt und hergestellt, das in der Lage ist, ein injiziertes Gas in mehreren Farben entsprechend seinen gasförmigen Eigenschaften abzubilden, wodurch eine chromatische Unterscheidung verschiedener Gase ermöglicht wird. Dieses benutzerfreundliche Gerät wandelt den durch ein injiziertes Gas erzeugten Druck in Strukturfarben um und bildet ihn so ab. Diese Technologie kann möglicherweise eine breite Palette von Anwendungen haben, wie z. B. Umweltüberwachung, Sicherheitsgewährleistung und Gesundheitsfürsorge.
Die Bildgebung von Gasen ist in vielen gasbezogenen Grundlagen- und angewandten Forschungsprojekten wichtig, da fast alle Umgebungsgase farblos und unsichtbar sind. Es wurden nur wenige Methoden zur Abbildung des Umgebungsgasstroms entwickelt (z. B. die Verwendung von Infrarotkameras, die in der Lage sind, Temperaturänderungen und Luftstrommessungen durch die Freisetzung von Tracer-Partikeln in die Luft zu erfassen).
Diese Verfahren erfordern eine aufwändige Ausrüstung und sind ungeeignet, um unterschiedliche Arten von Gasen auf konsistente Weise abzubilden. Außerdem sind die von ihnen erzeugten Bilder für die Analyse gasförmiger Eigenschaften ungeeignet. Ein einfaches Verfahren, das in der Lage ist, alle Arten von Gasen abzubilden und zu analysieren, kann eine Vielzahl von Anwendungen haben, beispielsweise bildbasierte Messungen.
Dieses Forschungsteam stellte kürzlich ein Gerät her, das in der Lage ist, verschiedene Gase mithilfe einer breiten Palette von Farben (dh Strukturfarben) durch ein einfaches Verfahren abzubilden und zu unterscheiden: Polydimethylsiloxan (PDMS) – ein weiches Material – wurde zuerst zu einer Platte geformt. Ein Teil der PDMS-Oberfläche wurde dann mit Argonplasma behandelt. Die plasmabehandelte PDMS-Platte wurde mit ihrer plasmabehandelten Oberfläche nach unten auf die Oberfläche eines Glassubstrats gelegt, und sie kamen in vollständigen Kontakt.
Die plasmabehandelte PDMS-Oberfläche bildet ein periodisches, wellenförmiges Mikromuster, wenn sie durch ein injiziertes Gas komprimiert wird, das durch die enge Grenze zwischen den PDMS- und Glasschichten strömt. Diese Verdichtung und die daraus resultierende Mikromusterbildung führen zur Erzeugung von Strukturfarben. Dieser Mechanismus ist auf die Abbildung und Differenzierung jeder Art von Gas anwendbar. Wenn der einströmende Gasstrom unterbrochen wird, verschwinden Strukturfarben vollständig.
Der Grad der PDMS-Verformung hängt von den Durchflussraten, Viskositäten und Dichten der eingespritzten Gase ab. Da alle Gase einzigartige Viskositäten und Dichten haben, kann dieses Gerät zur Differenzierung und Analyse von Gasproben basierend auf diesen Eigenschaften bei konstanter Durchflussrate verwendet werden.
In zukünftigen Forschungsarbeiten wird das Team daran arbeiten, das Gerät zu optimieren, indem es seine Empfindlichkeit mit dem Ziel verbessert, es mit verschiedenen Anwendungen (z. B. Identifizierung von Umgebungsgasen und biologischen Proben) kompatibel zu machen. Das Team wird auch die Entwicklung einer neuen Gasidentifikationstechnik erwägen, indem es sie mit Bilderkennungs- und maschinellen Lerntechniken kombiniert und ein kleines, CCD-integriertes Gerät (Charge Coupled Device) mit einer einfachen Struktur herstellt.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.
Mehr Informationen:
Kota Shiba et al, Visualisierung von strömungsinduzierter Dehnung unter Verwendung von Strukturfarbe in kanalfreien Polydimethylsiloxaneinheiten, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/advs.202204310