初の3Dプリントマイクロガスカラーセンサー

出典：江蘇省レーザー産業イノベーション連盟

トリニティ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3Dプリントを使用して、ガスの色が変わる小さなセンサーを作成する新しい方法を発見した。これは、スマートホームや健康モニタリングの開発に役立つ可能性がある。

3D プリントされた微細ガスセンサー。中央: カラー 3D プリントセンサーを示すガラス基板の写真。左: さまざまな蒸気に対するピクセル化センサーの反応を示す拡大光学顕微鏡画像。右: 周期構造のさまざまな高さを示すピクセル化センサーの走査型電子顕微鏡画像。

研究チームは、これらの印刷センサーは感度が高く、主に空気中の特定のガス含有量のリアルタイム監視と検出を実現できる微細光学構造であると述べた。ほとんどの人は、ほとんどの時間を自宅、車内、職場で過ごすため、汚染物質のレベルを安価かつ正確に監視することがトレンドとなり、巨大な市場を形成しています。これらのセンサーは、接続された低コストの家庭用デバイスでの使用や、人間の健康状態を監視するためのウェアラブルデバイスへの統合に大きな可能性を秘めています。

論文の筆頭著者であるコルム・デラニー博士は次のように述べている。「300年以上前、顕微鏡で生物を観察するときに「細胞」という言葉を作り出したロバート・フックが、初めて孔雀の羽の鮮やかな色を研究しました。数世紀後、科学者たちは、この「光る」色は伝統的な天然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。」

「私たちは、カササギからカメレオンまでずっと観察されてきたこの生物学的デザインを借用し、直接レーザー書き込み（DLW）と呼ばれる技術を使用していくつかのユニークな材料を作成しました。この技術により、レーザーを非常に小さな点に集中させ、研究室で開発された柔らかいポリマーを使用して小さな3次元構造を作成することができます。」

フォトニクス教授のルイーズ・ブラッドリー氏は次のように付け加えた。「私たちの両グループが行っている研究は、刺激に反応する材料の微小構造の設計、モデリング、製造に重点を置いています。私の博士課程の学生であるジン・チアンは、光、熱、湿度に反応する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、自然界に見られる鮮明さ、隠蔽反応、カモフラージュ機能を真に再現できるシステムを生み出しました。そばかすよりも小さいこれらの微小な反応配列から、周囲の化学組成について知ることができます。」

マイクロカラーセンサーはなぜそれほど価値があるのでしょうか?従来の物理センサーは私たちのコネクテッドライフを可能にしましたが、低コストで適応性の高い化学センシングプラットフォームは依然として遅れをとっています。フォトニックセンサーは大幅な進歩を遂げており、消費電力が最小限で、運用コストが低く、感度が高いことから重要な代替手段となっています。これはセンサーの商業化の重要な兆候でもあります。

AMBERのラリサ・フロレア教授は次のように語っています。「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、応答性の高い3Dプリントされた微細光学構造を開発しました。3Dプリントされた光学的に応答する材料は、家庭内の接続された低コストのセンサーデバイスや、物体を監視および分析するウェアラブルデバイスに使用できます。」

「当社の実験モデルは、屋内の汚染物質濃度が屋外の濃度の 5 ～ 100 倍になる可能性があることを示しています。これは、世界保健機関が世界の人口の 90% が人間の許容範囲をはるかに超える空気濃度の地域に住んでいると観察していることを考えると、特に価値があります。これらの汚染物質は、周囲の空気、化学物質、香り、食品の品質、人間の活動の影響を受け、私たちの健康に重大な影響を及ぼします。これまでの屋内ガスセンサーは、漏れ、煙、二酸化炭素の検出にほぼ重点を置いてきました。当社の目標は、相対湿度、酸素レベル、二酸化炭素、揮発性有機炭素 (VOC)、アンモニアに対して正確かつ迅速に反応することです。」

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