Les accidents de gaz tels que les fuites de gaz toxiques dans les usines, fuite de monoxyde de carbone des chaudières, ou l'étouffement de gaz toxiques pendant le nettoyage des regards continuent de faire des morts et de causer des blessures. Développer un capteur capable de détecter rapidement les gaz toxiques ou les produits biochimiques reste un enjeu important de santé publique, surveillance de l'environnement, et les secteurs militaires. Récemment, une équipe de recherche de POSTECH a mis au point un capteur holographique portable ultra-compact qui avertit immédiatement l'utilisateur de la détection de gaz volatils.

Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Junsuk Rho des départements de génie mécanique et chimique et le Dr Inki Kim du département de génie mécanique avec le professeur Young-Ki Kim et Ph.D. Le candidat Won-Sik Kim du Département de génie chimique de POSTECH a intégré une métasurface avec un modulateur optique à cristaux liquides réactif aux gaz pour développer un capteur qui fournit une alarme holographique visuelle immédiate lorsque des gaz nocifs sont détectés. Les résultats de cette étude ont été publiés dans Avancées scientifiques le 7 avril 2021.

Pour ceux qui travaillent dans des environnements dangereux tels que les usines pétrochimiques, les capteurs de gaz sont la vie. Cependant, les dispositifs de détection de gaz conventionnels ne sont pas largement utilisés en raison de leur coût élevé de fabrication avec des machines et des dispositifs électroniques complexes. En outre, les capteurs de gaz commerciaux ont des limites en ce sens qu'ils sont difficiles à utiliser, et ont une portabilité et une vitesse de réaction médiocres.

Pour résoudre ces problèmes, l'équipe de recherche a utilisé la métasurface, bien connu comme futur dispositif optique connu pour avoir l'effet de cape invisible en faisant disparaître les objets visibles en contrôlant l'indice de réfraction de la lumière. La métasurface est particulièrement utilisée pour transmettre des hologrammes bidirectionnels ou des images vidéo 3D en contrôlant librement la lumière.

En utilisant la métasurface, l'équipe de recherche a développé un capteur de gaz qui peut faire flotter une alarme d'image holographique dans l'espace en quelques secondes seulement en utilisant le contrôle de polarisation de la lumière transmise qui se transforme en raison du changement d'orientation des molécules de cristaux liquides dans la couche de cristaux liquides à l'intérieur du capteur lorsqu'il est exposé au gaz. De plus, ce capteur de gaz développé par l'équipe de recherche ne nécessite aucun support de dispositifs mécaniques ou électroniques externes, contrairement aux autres capteurs de gaz commerciaux conventionnels. Les chercheurs ont utilisé l'alcool isopropylique comme gaz dangereux cible, connu comme une substance toxique qui peut causer des douleurs à l'estomac, mal de tête, vertiges, et même la leucémie.

Le capteur nouvellement développé a été confirmé pour détecter même la quantité infime de gaz d'environ 200 ppm. Dans une expérience réelle utilisant un marqueur de tableau, une source de gaz volatile dans notre vie quotidienne, une alarme holographique visuelle s'est déclenchée instantanément au moment où le marqueur a été amené au capteur.

De plus, l'équipe de recherche a développé une méthode d'impression nanocomposite en une étape pour produire ce capteur de gaz flexible et portable. La structure de la métasurface, qui a été préalablement traité sur un substrat dur, a été conçu pour permettre une production rapide avec un processus de nanomoulage en une seule étape sur un substrat incurvé ou flexible.

Lorsque le capteur flexible fabriqué à l'aide de cette méthode se fixe comme un autocollant sur des lunettes de sécurité, il peut détecter le gaz et afficher une alarme hologramme. Il devrait être intégrable avec les systèmes d'affichage AR de type verre en cours de développement chez Apple, Samsung, Google, et Facebook.

Aller plus loin, l'équipe de recherche développe un capteur environnemental de haute performance qui peut afficher le type et le niveau de concentration de gaz ou de produits biochimiques dans l'environnement avec une alarme holographique, et étudie les techniques de conception optique qui peuvent coder diverses images holographiques. Si ces études sont couronnées de succès, ils peuvent être utilisés pour réduire les accidents causés par des fuites biochimiques ou de gaz.

"Ce nouveau capteur de gaz portable ultra-compact fournit une alarme visuelle holographique plus intuitive que les alarmes auditives ou lumineuses classiques, " a fait remarquer le professeur Junsuk Rho. " Il devrait être particulièrement efficace dans des environnements de travail plus extrêmes où les bruits acoustiques et visuels sont intenses. "