I ricercatori del Trinity College di Dublino e del Centro di ricerca SFI per i materiali avanzati e la ricerca sulla bioingegneria (AMBER) hanno sviluppato un nuovo set di sensori di gas microscopici utilizzando la tecnologia di stampa 3D.
Progettati per imitare le piume che cambiano colore di un pavone, i sensori stampati in 3D sono in grado di cambiare i colori in presenza di determinati vapori di solvente. In quanto tali, possono essere utilizzati per fornire un modo molto visivo di rilevare inquinanti pericolosi, il tutto pur essendo economico da produrre.
Il team ritiene che i suoi dispositivi potrebbero avere importanti implicazioni per il monitoraggio del gas in tempo reale nelle case, nelle automobili e nei luoghi di lavoro, nonché nei dispositivi indossabili per applicazioni per la salute personale.
La professoressa Larisa Florea, co-autrice dello studio, spiega: “Abbiamo creato strutture ottiche microscopiche, stampate e reattive che possono essere monitorate in tempo reale e utilizzate per il rilevamento dei gas. La capacità di stampare un materiale così otticamente reattivo ha un profondo potenziale per la loro incorporazione in dispositivi di rilevamento connessi e a basso costo”.
Nonostante le loro piccole dimensioni, i sensori stampati in 3D possono rivelare il contenuto di gas del loro ambiente. Immagine dal Trinity College di Dublino.
Perché abbiamo bisogno di monitorare i gas?
Non è un’esagerazione dire che la persona media trascorre la maggior parte del tempo al chiuso in questi giorni, che sia a casa, in un veicolo o in un ufficio. Secondo Florea, la concentrazione di inquinanti trovata all’interno può essere ovunque da 5 a 100 volte maggiore della concentrazione trovata all’aperto. La natura snervante della cifra è amplificata se si considera che l’ Organizzazione Mondiale della Sanità suggerisce che il 90% della popolazione mondiale vive in aree che superano i limiti accettabili degli standard aerei.
Allo stato attuale, i moderni sensori di gas per interni si concentrano quasi esclusivamente sul rilevamento di perdite, fumo o monossido di carbonio, lasciando nicchie come il rilevamento di composti organici volatili (VOC) e ammoniaca in tempo reale in gran parte irrisolti.
Porre una maggiore attenzione su un ecosistema di monitoraggio ambientale completo (ma a basso costo) può in definitiva aiutare a rendere la salute umana una considerazione più cruciale nella costruzione di case e negli impianti di produzione.
Sviluppando i sensori di gas, il team ha dovuto progettare, modellare e prototipare una serie di strutture microscopiche utilizzando i propri materiali di stampa 3D reattivi agli stimoli interni. Per abilitare strutture così minuscole, i ricercatori hanno sfruttato il processo di polimerizzazione a due fotoni, una forma molto precisa di stampa 3D basata su SLA in cui viene utilizzato un laser spot per polimerizzare le resine in parti microscopiche.
Queste strutture di sensori stampate, curiosamente, hanno tratto ispirazione dalle piume di un pavone, che sono note per cambiare colore a seconda dell’angolazione con cui vengono visualizzate. Questa proprietà è chiamata iridescenza.
Il dottor Colm Delaney, autore principale dello studio, spiega: “Più di 300 anni fa, Robert Hooke ha studiato per la prima volta i colori vibranti dell’ala di un pavone. Solo secoli dopo gli scienziati scoprirono che la colorazione effervescente era causata non dai pigmenti tradizionali ma dall’interazione della luce con minuscoli oggetti sulla piuma, oggetti che misuravano solo pochi milionesimi di metro”.
Il team di Delaney alla fine è riuscito a far cambiare i colori ai sensori stampati in 3D in risposta a diversi vapori di solvente. Ciò è stato fatto variando la formulazione del materiale utilizzato e la geometria delle strutture, poiché anche l’angolo di visione era un fattore nel modo in cui i sensori riflettevano la luce. Nonostante siano più piccoli di una lentiggine, si sono rivelati utili per rivelare il contenuto e la chimica dell’ambiente in cui si trovavano. Inoltre, i sensori stampati in 3D sono economici, adattabili a diversi stimoli, richiedono un consumo energetico minimo e sono altamente sensibili .
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato ” Direct laser writing of vapor-responsive photonic arrays “.
Imaging SEM dei sensori microscopici di gas. Immagine dal Trinity College di Dublino.
L’ampia compatibilità dei materiali della produzione additiva si presta abbastanza bene alle applicazioni dei dispositivi sensori. All’inizio di quest’anno, gli ingegneri della Washington State University (WSU) e della DL ADV-Tech hanno utilizzato la stampa 3D per sviluppare un mezzo per rilevare l’esposizione all’erbicida glifosato, potenzialmente cancerogeno . Composto da una serie di nanotubi rivestiti con sensori stampati in 3D, il kit di test utilizza una tecnologia simile a quella trovata nei monitor per il glucosio diabetico, ma distribuisce invece correnti per valutare i livelli di glifosato.
Altrove, i ricercatori della Santa Clara University hanno recentemente utilizzato la stampa 3D per costruire una versione aggiornata delle unità di rilevamento dell’idratazione impiegate nei sistemi di irrigazione agricola . Riprogettando, stampando in 3D e iterando su parti di questi sensori, gli ingegneri sono stati in grado di migliorare le loro capacità di rilevamento termico e di ridurne le dimensioni complessive.
