非對(duì)稱耦合超表面的數(shù)值優(yōu)化.（A）由a-Si：H納米天線組成的超表面單元，顯示了在線極化入射下長(zhǎng)軸平行于x軸（左元素）和y軸（右單元）的納米天線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。高度h和位移d分別固定在400和300nm。（B）RCP入射下發(fā)射LCP分量的效率（TLR）與納米天線的長(zhǎng)度（L）和寬度（w）的函數(shù)關(guān)系。紅點(diǎn)表示四個(gè)選定晶胞的幾何形狀，這些晶胞在考慮制造分辨率的同時(shí)具有高衍射效率。（C） 使用選定的一組八個(gè)單元進(jìn)行全相位覆蓋和波前調(diào)制。（D）從設(shè)計(jì)的不對(duì)稱耦合超表面獲得的穩(wěn)定（笑臉，左）和警報(bào)狀態(tài)（感嘆號(hào)，右）的計(jì)算全息圖。信用：科學(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

生物和化學(xué)物質(zhì)可以實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，用于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測(cè)目的。在一份關(guān)于科學(xué)進(jìn)展的新報(bào)告中，Inki Kim和韓國(guó)和巴基斯坦的機(jī)械工程，材料科學(xué)和電氣工程研究小組提出了一個(gè)緊湊的傳感器平臺(tái)，用于集成液晶（LC）和全息超表面，以感知揮發(fā)性氣體的存在，然后提供即時(shí)的視覺(jué)全息警報(bào)。該團(tuán)隊(duì)將設(shè)置組合在一起，形成了超緊湊的氣體傳感器，無(wú)需復(fù)雜的儀器，以便通過(guò)視覺(jué)線索檢測(cè)氣體。研究人員通過(guò)一步納米鑄造工藝將基于超表面的氣體傳感器集成到穩(wěn)定護(hù)目鏡上，證明了緊湊型傳感器的適用性。

液晶集成超表面

材料科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種方法來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)及其相應(yīng)的傳感器平臺(tái)，包括電、光、射頻或微波信號(hào)變化。在這些傳感器中，基于液晶的傳感器因其靈敏度和實(shí)時(shí)快速檢測(cè)而受到青睞。在這項(xiàng)工作中，Kim等人提出了一種緊湊型傳感器平臺(tái)，該平臺(tái)將液晶與稱為L(zhǎng)C集成超表面（LC-MS）的全息超表面相結(jié)合，以感測(cè)揮發(fā)性氣體并通過(guò)視覺(jué)全息警報(bào)提供即時(shí)反饋。該方法集成了液晶的刺激響應(yīng)性和超表面的致密性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)提供氣體傳感構(gòu)象大限度地提高了傳感器的有效性。該團(tuán)隊(duì)使用氫化非晶硅（a-Si：H）開(kāi)發(fā)了超表面全息圖，旨在根據(jù)每個(gè)納米結(jié)構(gòu)的幾何和傳播階段再現(xiàn)不同的全息圖像。根據(jù)揮發(fā)性氣體的存在與否，該裝置可以傳輸不同的偏振態(tài)的光。

氣體響應(yīng)液晶（LC）電池的設(shè)計(jì)及其光學(xué)響應(yīng)。（A）擬議的全息超表面氣體傳感器平臺(tái)示意圖。在沒(méi)有目標(biāo)危險(xiǎn)氣體的情況下，與氣體響應(yīng)LC集成的全息超表面投射穩(wěn)定信號(hào)（笑臉），而在檢測(cè)到氣體時(shí)顯示警報(bào)信號(hào)（感嘆號(hào)）。右圓偏振（RCP;黃色箭頭）照明產(chǎn)生“穩(wěn)定信號(hào)”，左圓偏振（LCP;綠色箭頭）照明產(chǎn)生“報(bào)警信號(hào)”。（B）微孔中氣體響應(yīng)液相色譜的示意圖（側(cè)視圖）。最初，LC單元具有混合錨定配置，因?yàn)長(zhǎng)C在空氣界面處的垂直方向以及涂覆在玻璃基板上的摩擦聚酰亞胺設(shè)置的單向切向方向。然而，當(dāng)引入揮發(fā)性氣體時(shí)，LC順序降低，因?yàn)楦飨蛲�性氣體分子會(huì)分配到LC層中。因此，向列到各向同性的相變發(fā)生在空氣界面，并且隨著更多的氣體分子擴(kuò)散到LC中，各向同性層會(huì)膨脹。 （C至E）暴露于IPA氣體時(shí)LC電池的順序光學(xué)顯微照片（頂部）;參見(jiàn)電影 S1。比例尺，100 μm。（C）至（E）中的插圖顯示了相應(yīng)的側(cè)視圖顯微照片。液相色譜池放置在密閉室中，IPA 氣體濃度約為 200 ppm。白色箭頭表示偏振器（輸入）和分析器（輸出）的偏振。藍(lán)色箭頭表示摩擦方向。（F）隨時(shí)間推移測(cè)量的延遲和計(jì)算的各向同性層厚度。對(duì)應(yīng)于 （C） 到 （E） 的數(shù)據(jù)由藍(lán)色、綠色和紅色點(diǎn)標(biāo)記�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

設(shè)計(jì)氣體響應(yīng)液晶電池

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)各種外部刺激調(diào)節(jié)液晶的分子順序。Kim等人首先以簡(jiǎn)單的幾何形狀觀察并表征了LC的氣體響應(yīng)性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們用向列（與液晶有關(guān)或作為液晶的相）填充微孔結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，科學(xué)家們使用異丙醇（IPA）氣體作為檢測(cè)的目標(biāo)危險(xiǎn)氣體。當(dāng)他們?cè)诜忾]的室室中以恒定濃度暴露IPA氣體時(shí)，它從白色轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬�。結(jié)果表明，液相色譜池能夠及時(shí)檢測(cè)有毒氣體。然后，該團(tuán)隊(duì)使用具有不同劑量條件的一系列氣體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量氯仿檢測(cè)時(shí)間約為1.3秒，丙酮檢測(cè)時(shí)間為1.6秒，IPA氣體為13.9秒，甲醇為58.3秒。隨著劑量的增加，他們觀察到更快的反應(yīng)率。

當(dāng)液晶恢復(fù)到其初始方向時(shí)，全息圖會(huì)迅速恢復(fù)到穩(wěn)定標(biāo)志�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

科學(xué)家們基于傳統(tǒng)的Pancharatnam-Berry（PB）相位調(diào)制方法設(shè)計(jì)了自旋編碼的超表面，以了解自旋固有的對(duì)稱性和相互作用的程度。由此產(chǎn)生的設(shè)備總效率僅為50%。為了克服光能量損失，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)不對(duì)稱耦合通過(guò)自旋編碼設(shè)計(jì)了超表面，以用于左圓偏振（LCP）光和右圓偏振（RCP）光，以幫助打破傳統(tǒng)的效率限制。納米天線內(nèi)磁電共振的限制驗(yàn)證了優(yōu)化過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)納米天線保持高傳輸效率和固定增量相移的能力來(lái)選擇納米天線的尺寸。他們開(kāi)發(fā)了從設(shè)計(jì)的不對(duì)稱耦合超表面獲得的穩(wěn)定（笑臉）和警報(bào)狀態(tài)（感嘆號(hào)）的全息圖。為了驗(yàn)證非對(duì)稱耦合超表面的功能，Kim等人使用市售的全波電磁仿真軟件Lumerical Inc.對(duì)元全息圖進(jìn)行了數(shù)值模擬。

全息氣體傳感器和可穿戴應(yīng)用

科學(xué)家們使用氣體響應(yīng)LC-MS系統(tǒng)可視化了實(shí)時(shí)氣體暴露。然后，他們測(cè)試了傳感能力，全息圖像的快速切換速率以及暴露于揮發(fā)性氣體時(shí)光學(xué)裝置中氣體傳感器的高衍射效率。Kim等人使用了一種無(wú)處不在的揮發(fā)性氣體源，即含有包括IPA（異丙醇）在內(nèi)的各種有機(jī)溶劑的板記號(hào)筆。元全息圖器件包含一個(gè)a-Si：H納米天線。在沒(méi)有揮發(fā)性氣體的情況下，傳感器投射出微笑的全息圖像作為穩(wěn)定標(biāo)志。暴露在氣體中后，標(biāo)志立即切換到感嘆號(hào)以提供“警報(bào)信號(hào)”。當(dāng)來(lái)自筆的揮發(fā)性氣體擴(kuò)散到液晶層時(shí)，就會(huì)發(fā)生此過(guò)程，從而降低光學(xué)延遲，將輸出偏振光束的偏振從RCP（右圓偏振光）轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CP（左圓偏振光）。當(dāng)團(tuán)隊(duì)去除氣體時(shí)，全息圖迅速恢復(fù)到其穩(wěn)定標(biāo)志，因?yàn)橐壕Щ謴?fù)到初始方向。該過(guò)程可能在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，標(biāo)記與傳感器的距離不會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間。這種類型的傳感器將具有檢測(cè)運(yùn)輸或氣敏產(chǎn)品儲(chǔ)存過(guò)程中有害氣體暴露的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)還可以通過(guò)開(kāi)發(fā)基于通過(guò)一步納米鑄造工藝形成的柔性超表面的可穿戴設(shè)備來(lái)擴(kuò)展應(yīng)用。與傳統(tǒng)的納米印刷不同，Kim等人包括一種功能化的紫外（UV）固化樹(shù)脂，其中氧化鈦納米顆粒作為樹(shù)脂復(fù)合材料，在此過(guò)程中用作介電超表面，而無(wú)需使用復(fù)雜的納米制造工藝。該工藝也適用于批量生產(chǎn)。

LC-MS氣體傳感器的演示。（A） LC-MS氣體傳感器的光學(xué)裝置（HWP，半波板;M1，鏡子 1;M2，鏡子2;P，偏光片;QWP，四分之一波板）。在沒(méi)有 IPA 氣體的情況下，LC-MS 傳感器上照亮的 RCP 光在沒(méi)有任何偏振轉(zhuǎn)換的情況下通過(guò) LC 層并傳輸?shù)匠�表面。相反，LC層在暴露于IPA氣體時(shí)將輸入的RCP轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CP光。（B） 帶有板標(biāo)記作為揮發(fā)性氣體（包括 IPA）來(lái)源的 LC-MS 氣體傳感器的照片。比例尺，3毫米。圖片來(lái)源：Inki Kim，POSTECH。（C）集成介電超表面的光學(xué)和SEM圖像。比例尺，100 μm。（D） 產(chǎn)生的全息圖像報(bào)警。當(dāng)電路板標(biāo)記處的氣體暴露時(shí)，LC-MS傳感器會(huì)在幾秒鐘內(nèi)迅速顯示報(bào)警標(biāo)志，并在氣體去除后恢復(fù)初始穩(wěn)定標(biāo)志。科學(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

概念驗(yàn)證

作為概念驗(yàn)證，他們隨后在柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上打印了一個(gè)柔性和保形全息氣體傳感器，并將其連接到穩(wěn)定護(hù)目鏡的表面上。然后，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)532 nm波長(zhǎng)的入射光優(yōu)化了納米顆粒 - 樹(shù)脂復(fù)合超表面的參數(shù)，盡管該結(jié)構(gòu)在更廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)也起作用。就這樣，Kim等人研制出清晰的全息報(bào)警器。未來(lái)，他們可以小型化和集成所提出的柔性和保形氣體傳感器，以完全建立可穿戴和緊湊型氣體傳感器。這些傳感器無(wú)需任何額外的復(fù)雜機(jī)械和電子設(shè)備即可運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)低成本的可穿戴氣體傳感器，可集成到工廠、建筑和清潔應(yīng)用中。該設(shè)備還可以通過(guò)使用環(huán)境光而不是內(nèi)部光源在反射模式下運(yùn)行，以開(kāi)發(fā)更便宜、更簡(jiǎn)單和小型化的傳感器平臺(tái)。

演示靈活的LC-MS氣體傳感器和集成穩(wěn)定裝置。（A）柔性超表面一步納米鑄造制造工藝的示意圖。用 1 μm 高的 a-Si：H 超表面制成的母印經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，以降低粘合強(qiáng)度，從而簡(jiǎn)化脫模過(guò)程。分離的聚合物模具是可重復(fù)使用的。（B）用于納米鑄造工藝的硅母版印章的SEM圖像（頂視圖）。插圖顯示傾斜的視圖圖像。（C） 所得柔性超表面的照片。（D）NP樹(shù)脂復(fù)合材料（NPC）超表面的相應(yīng)SEM圖像（俯視圖）。插圖顯示傾斜的視圖圖像。圖片來(lái)源：Inki Kim，POSTECH。（E 至 G）柔性和保形全息超表面氣體傳感器。完整的傳感器由柔性LC單元和NPC超表面組成，安裝在穩(wěn)定護(hù)目鏡的曲面上。與a-Si：H元全息圖的表征類似，532 nm波長(zhǎng)的RCP光被照亮到柔性氣體傳感器上以顯示全息圖像。LC細(xì)胞和NPC超表面結(jié)合良好。圖片來(lái)源：Inki Kim，POSTECH。（H 和 I）實(shí)驗(yàn)演示了正常條件下的全息穩(wěn)定信號(hào)和暴露于 IPA 氣體時(shí)的報(bào)警信號(hào)。與a-Si：H器件相比，NPC超表面不僅具有更小的臨界尺寸和更大的高度，這意味著更高的縱橫比，而且在壓印過(guò)程中也存在一些缺陷。因此，全息圖像的衍射效率和清晰度下降�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

展望

通過(guò)這種方式，Inki Kim及其同事提出了通用和通用的設(shè)計(jì)規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)和刺激響應(yīng)超表面系統(tǒng)的潛力。擬議的LC-MS氣體傳感器平臺(tái)提供了一個(gè)適合檢測(cè)有毒氣體的快速視覺(jué)報(bào)警系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的氣體傳感器的實(shí)用性和可行性，以形成一個(gè)超緊湊，經(jīng)濟(jì)有效和用戶友好的氣體傳感器系統(tǒng)，無(wú)需復(fù)雜的要求。該系統(tǒng)可作為可穿戴傳感器使用，以防止氣體中毒事故，傳感器可以安裝在手套或眼鏡上，通過(guò)全息警報(bào)發(fā)出及時(shí)的視覺(jué)警告。