研究者らは3Dプリント技術を利用して、有害ガスを検知するための微細な色が変わるガスセンサーを開発している。

研究者らは3Dプリント技術を利用して、有害ガスを検知するための微細な色が変わるガスセンサーを開発している。
2021年12月1日、Antarctic Bearは、ダブリン大学トリニティ・カレッジとSFI先端材料・バイオエンジニアリング研究センター(AMBER)の研究者が3Dプリント技術を使用して、一連の新しいマイクロガスセンサーを開発したことを知りました。

これらの 3D プリント センサーは、特定の溶剤蒸気の存在下で色が変わる孔雀の羽を模倣するように設計されています。したがって、これらを使用することで、製造コストを大幅に抑えながら、危険な汚染物質を非常に直感的に検出できるようになります。
研究チームは、このデバイスが家庭、車、職場でのリアルタイムのガス監視や、個人の健康のためのウェアラブルデバイスに大きな影響を与える可能性があると考えています。
この研究の共著者であるラリサ・フロレア教授は次のように説明しています。「私たちは、リアルタイムで監視し、ガスの検出に使用できる、応答性があり、印刷可能な微細光学構造を作成しました。このような光学的に応答する材料を印刷する能力は、それらを相互接続された低コストの感知装置に組み込むための広範囲にわたる可能性を秘めています。」
△ 3D プリントされたセンサーは、小型にもかかわらず、周囲のガス含有量を表示できます。画像提供:ダブリン大学トリニティ・カレッジ。
なぜガスを監視する必要があるのでしょうか?
今では平均的な人が、自宅、車の中、オフィスなど、ほとんどの時間を屋内で過ごしていると言っても過言ではありません。フロレア氏によれば、屋内で測定された汚染物質の濃度は、屋外で測定されたものより5~100倍高くなる可能性があるという。世界保健機関が世界の人口の90%が大気の許容基準の限度を超える地域に住んでいると示唆していることを考えると、この数字の不安な性質はさらに大きくなります。
現在、主流の屋内ガスセンサーは、漏れ、煙、一酸化炭素の検出にほぼ専念しており、リアルタイムの揮発性有機化合物 (VOC) やアンモニアの検出などのニッチ市場にはほとんど関与していません。
建物や製造施設では人間の健康が最も重要な考慮事項となるため、包括的な(ただし低コストの)環境モニタリング エコシステムにも重点を置く必要があります。
△3Dプリントされたガスセンサーは周囲のガスに応じて異なる色を反射します。写真提供:ダブリン大学トリニティ・カレッジ。
3D プリントされた色が変わるガスセンサー<br /> ガスセンサーを開発する際、チームは、社内で開発された刺激応答性 3D プリント材料を使用して、一連の微細構造を設計、モデル化し、プロトタイプを作成することを選択しました。研究者たちは、この微細構造を実現するために、2光子重合と呼ばれるプロセスを使用しました。これは、点状のレーザーを使用して樹脂を微細な部品に固める、SLA ベースの 3D 印刷の非常に精密な形式です。
興味深いことに、これらの印刷センサーの構造は孔雀の羽からヒントを得たものです。孔雀の羽は見る角度によって色が変わることが知られており、これは虹彩効果として知られています。
主執筆者のコルム・デラニー博士は次のように説明した。「孔雀の羽の鮮やかな色は、300年以上前にロバート・フックによって初めて研究されました。数世紀後、科学者たちは、その鮮やかな色は伝統的な色素によるものではなく、羽の上にあるわずか数百万分の1メートルの大きさの小さな物体と光の相互作用によるものであることを発見しました。」
最終的に、デラニー氏のチームは、3D プリントされたセンサーがさまざまな溶剤蒸気に反応して色を変えるようにすることに成功しました。視野角もセンサーが光を反射する方法に影響を与える要因であるため、これは使用する材料の配合と構造の形状を変えることによって実現されます。そばかすよりも小さいですが、周囲の物理的・化学的組成を検出するのに役立つことが証明されています。さらに、3Dプリントセンサーは低コストで、さまざまな刺激に適応でき、消費電力が少なく、感度が高いという利点があり、これらはすべて研究結果の利点です。
微細ガスセンサーのSEM画像。画像提供:ダブリン大学トリニティ・カレッジ。
この研究の詳細は、「蒸気応答性フォトニックアレイの直接レーザー書き込み」と題された論文に記載されています。
関連論文リンク: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc01796a

積層造形は材料の互換性が広いため、センサーデバイスへの応用に最適です。今年初め、ワシントン州立大学(WSU)とDL ADV-Techのエンジニアは、3Dプリントを使用して、発がん性の可能性がある除草剤グリホサートへの曝露を検出する方法を開発しました。この検査キットは、3Dプリントされたセンサーでコーティングされたナノチューブの配列で構成されており、糖尿病の血糖値モニターと同様の技術を使用しているが、グリホサートのレベルを評価するために電流を使用する点が異なる。
一方、サンタクララ大学の研究者らは最近、3Dプリント技術を使って、農業用灌漑システムで使用される水分感知装置の改良版を開発した。エンジニアは、これらのセンサーのコンポーネントを再設計し、3D プリントし、反復することで、熱検出機能を大幅に向上させ、全体的なサイズを縮小することができました。
顕微鏡で色が変わる生体模倣ガスセンサー

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