孔雀の羽にヒントを得て、科学者たちは3Dプリントを使って色が変わる小さなガスセンサーを作った

出典: MEMS

ダブリン大学トリニティ・カレッジとアイルランド科学財団（SFI）先端材料・バイオエンジニアリング研究センター（AMBER）の科学者らは、新素材と高解像度の3D印刷技術を使用して、色が変わる小さなガスセンサーを作成する方法を発見した。
3D 印刷技術を使用して作られた、色が変わる小さなガスセンサー。ほとんどの人は、人生の大部分を自宅、車内、または職場環境で過ごします。そのため、たとえば汚染物質のレベルを安価かつ正確に監視する能力は、健康的で安全な環境についての私たちの考え方を変える可能性があります。前述のマイクロ色変化ガスセンサーは、応答性（色変化）のある 3D プリントされた微細光学構造で、低コストでガスをリアルタイムで監視でき、空気中の溶剤蒸気を検出するために使用できます。このセンサーは大きな市場性を秘めており、スマートホームやポータブルデバイスで使用したり、ウェアラブルデバイスに統合して人間の健康状態を監視することもできます。

このセンサー研究プロジェクトは、ダブリン大学トリニティ・カレッジ化学部の助教授でありAMBER主任研究員でもあるラリサ・フロレア氏と、ダブリン大学トリニティ・カレッジ物理学部のルイーズ・ブラッドリー教授が主導し、ダブリン大学トリニティ・カレッジの適応型ナノ構造およびナノデバイスセンター（CRANN）で実施されます。ガス検知分野における産業界の協力者でありリーダーである米国ニューヨークの GE Research も、Radislav Potyrailo 博士の参加を手配しました。

チームの調査結果は、新進気鋭の研究者ラリサ・フロレア教授の研究を紹介する特別号の一部として、『Journal of Materials Chemistry C』誌に掲載されたばかりだ。この論文の筆頭著者であるダブリン大学トリニティ・カレッジ化学部のコルム・デラニー博士は次のように述べている。「300年以上前、ロバート・フックが初めて孔雀の羽の鮮やかな色を調査しました。数世紀も経ってからようやく科学者たちは、孔雀の羽の鮮やかな色は従来の顔料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だということを発見しました。」

コルム・デラニー氏はさらにこう続けた。「私たちは、この『バイオデザイン』をマグパイからカメレオンまで取り入れて、非常に興味深い材料を作っています。私たちは、直接レーザー書き込み（DLW）技術を使ってこれを実現しています。この技術では、レーザーを非常に小さなスポットに集中させ、私たちの研究室で開発された柔らかいポリマーに小さな3D構造を構築することができます。」

ダブリン大学トリニティ・カレッジのこのプロジェクトの協力者であるルイーズ・ブラッドリー教授は次のように付け加えた。「私たちの2つのグループが行っている研究は、刺激に反応する材料で作られたこれらの小さな3D構造の設計、モデリング、製造に重点を置いています。私たちの研究室の優秀な博士課程の学生であるジン・チアンは、さまざまな構造の設計開発と反応の予測に多くの時間を費やしてきました。私たちは光、熱、湿度に反応することができ、自然界に見られるステルス性とカモフラージュ能力を真に再現できるシステムを作ることを期待しています。孔雀の羽にある小さな物体よりも小さな反応性アレイは、環境の化学組成について多くのことを伝えるために使用できます。」

色が変わる小さなガスセンサーはなぜ役立つのでしょうか?現在、従来の物理センサーは人々の日常生活で広く使用されていますが、低コストで適応性の高い化学センサープラットフォームの提供には依然として遅れがあります。フォトニクスベースのセンサーは急速に発展しており、低消費電力、低コスト、高感度の正確で堅牢なガス検知ソリューションを生み出しています。これは、Radislav Potyrailo 博士と GE Research が長年商業化に取り組んできた分野です。

ラリサ・フロレア教授は次のように語っています。「汚染物質が周囲の空気、化学物質、香り、食品の品質、人間の活動によって影響を受け、人間の健康に多大な影響を及ぼすことを考えると、私たちは周囲の環境を監視することを期待しなければなりません。私たちは 3D 印刷技術を使用して、周囲のガスをリアルタイムで監視できる微細な光学構造を持つ応答性 (色が変わる) ガスセンサーを製造しています。このセンサーは低コストであるため、スマートホームからウェアラブルデバイス、携帯電話から自動車まで、大きな開発の可能性を秘めています。」

「振り返ってみると、屋内ガスセンサーは主に天然ガス/石炭ガス漏れ監視と火災煙警報器に使用されていました。技術の継続的な進歩により、相対湿度、酸素レベル、二酸化炭素、揮発性有機化合物（VOC）、アンモニアなどをリアルタイムで監視できるようになりました。当社の小型の色が変わるガスセンサーは、家庭環境監視システムで大きな役割を果たし、人々の健康と幸福を確保し、将来のホームオートメーションの中核となることができます。」

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