Kolorimetrijski senzori otkrivaju promene životne sredine intuitivno menjajući boje, lako vidljive golim okom bez potrebe za dodatnom opremom. Štaviše, oni rade sa nultom potrošnjom energije. Vidljivo menjajući boju, bez potrebe za dodatnom opremom, ovi senzori imaju potencijal da igraju kritičnu ulogu u aplikacijama kao što su pakovanje hrane i očuvanje drevnih artefakata, gde je optimalna vlažnost ključna za kontrolu kvaliteta.
Za precizno otkrivanje vlažnosti, kolorimetrijski senzori moraju da pokriju širok spektar boja, da pokažu linearnu korelaciju između boje i vlažnosti, da brzo reaguju i da održavaju dugoročnu stabilnost. Senzori koji postižu obojenje kroz strukturne promene su generalno povoljniji od senzora zasnovanih na hemijskim reakcijama.
Među njima, strukture metal-hidrogel-metal (MHM) koje koriste Fabri-Perot rezonanciju ističu se zbog svoje jednostavnosti i raznolikog stvaranja boja, jer promene u debljini šupljine hidrogela, često koristeći materijale koji bubre kao što je hitozan, dovode do različitih boja. Međutim, konvencionalni dizajni i dalje pate od ograničenog prikaza boja i sporog odziva.
Baveći se ovim pitanjima, istraživački tim iz Južne Koreje, na čelu sa vanrednim profesorom Gil Ju Leeom sa Fakulteta za elektrotehniku i elektroniku na Nacionalnom univerzitetu Pusan, razvio je inovativni dvodimenzionalni (2D) nanostrukturirani Fano rezonantni kolorimetrijski senzor (nFRCS).
Dr Li objašnjava: „Naš dizajn uvodi nizove nanorupa koji koriste Fano rezonanciju i plazmonične rezonancije, značajno poboljšavajući gamu boja kontrolisanjem spektra refleksije od subtraktivne boje do aditivne boje. Štaviše, ovi kanali nanorupa takođe poboljšavaju odziv.“ Nalazi su objavljeni u časopisu Optica.
nFRCS se sastoji od MHM strukture srebro-hitozan-srebro sa tankim gornjim slojem i debelim donjim slojem. MHM takođe ima tanak, porozni germanijumski (Pr-Ge) premaz. Ovaj premaz je ključni dodatak koji transformiše MHM iz Fabri-Perot rezonatora u Fano rezonator, značajno poboljšavajući prikaz boja.
Pored toga, nFRCS uključuje 2D nizove nanorupa (NHA) u sloj MHM koji uspostavlja direktan put za vodene pare u ambijentalnom okruženju da dođu i stupe u interakciju sa slojem hitozana. Zbog hidrofilne prirode hitozana, u visoko vlažnim uslovima, hitozan apsorbuje molekule vode, izazivajući njeno bubrenje, au suvim uslovima oslobađa molekule vode, smanjujući svoju zapreminu, što dovodi do promene boje u zavisnosti od nivoa vlažnosti.
Ovi NHA takođe poboljšavaju odziv senzora, a njihov uredan obrazac olakšava dodatne interakcije svetlosti i materije kao što su površinska plazmonska rezonanca (SPP) i lokalna površinska plazmonska rezonanca (LSPR), dodatno poboljšavajući performanse.
Istraživači su proizveli nFRCS senzor koristeći litografiju nano otiska roll-to-plate (NIL), koja koristi metodu sličnu štancanju za prenošenje uzoraka nanorazmera na sloj MHM. U poređenju sa konvencionalnim skupim tehnikama izrade nanostruktura, ovaj metod štedi i vreme i troškove.
U eksperimentima, proizvedeni nFRCS je pokazao širok spektar boja, koji premašuje standardni RGB (sRGB), pokazujući 141% sRGB pokrivenosti i 105% Adobe RGB pokrivenost, nadmašujući prethodne studije. Štaviše, pokazao je izuzetan odziv sa vremenom odziva i oporavka od 287 odnosno 87 milisekundi.
Ističući šire primene senzora, dr Li kaže: „Osim detekcije vlažnosti, nFRCS takođe može poslužiti kao uređaji za praćenje zdravlja, inteligentni displeji i unutrašnji materijali, reagujući na spoljašnje stimuluse generišući različite promene boja. Ovaj dizajn bi mogao da posluži kao okvir za druge tipove kolorimetrijskih senzora koji detektuju različite promene životne sredine osim vlažnosti.“
Sve u svemu, ovaj inovativni senzor označava značajan korak napred za praćenje životne sredine sa nultom potrošnjom u realnom vremenu.
