模拟甲壳虫外壳变色原理，研发超快响应比色湿度传感器

原产于南美洲的长戟大兜虫具有一个极有吸引力的特性，即根据外部湿度条件改变其外壳颜色。这是因为甲虫壳的内部由带有方孔的多孔晶格结构组成。当特定波长的光照射到外壳上时，它会反射并显示不同的颜色；并且，这些反射波长会根据湿度而变化。最近，人们提出了一种像这种甲虫一样根据湿度改变颜色的传感器，其响应速度比传统的光学传感器快10000倍。

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由韩国浦项科技大学（POSTECH）的Junsuk Rho教授（化学工程系和机械工程系）和博士生Chunghwan Jung、Jaehyuk Jang（化学工程系）领导的研究团队，与韩国电子通信研究院（ETRI）的Sung-Hoon Hong、Soo-Jung Kim博士和光州科学技术研究院（GIST）的Young Min Song教授合作，开发了一种超快湿度响应的比色传感器。这项研究的结果发表在顶级学术期刊Science Advances上。

图1 超快全彩色比色湿度传感器原理示意图

利用光的传感器已经被应用于我们的日常生活中，用于心电图和空气质量测量等。这些传感器利用光来检测周围环境的变化并将其转换为数字信号。

该研究团队制造了一种由金属-水凝胶-金属结构组成的比色湿度传感器，该结构使用了无序金属纳米颗粒层-壳聚糖水凝胶-反射基底。当外界湿度发生变化时，由于壳聚糖水凝胶在潮湿状态下和干燥状态下会反复膨胀和收缩的特性，因此该传感器的谐振频率也会发生变化。

这种新型比色湿度传感器拥有超快的响应速度，比传统的基于法布里-珀罗干涉仪的光学传感器快10000倍。这种快速的响应速度得益于构成传感器的纳米颗粒之间的多孔空间，就像甲虫的外壳会根据湿度改变颜色那样。

图2 湿度响应安全标签

领导这项研究的Rho教授解释说：“这种新型湿度传感器的特殊之处在于，即使使用了纳米材料和纳米结构，它仍能以较低成本实现生产的可扩展性。”将湿度响应彩色像素引入安全代码可以应用于对湿度敏感的电子设备、纸币、护照和身份证的安全标签。

作为一项应用，该研究团队开发了防伪快速响应（QR）显示屏，该显示屏通常可见，但在一定的相对湿度（RH）范围内可以隐藏。此外，他们还展示了一种全彩色高分辨率显示屏，其单位像素尺寸为10μm、5μm和2μm，分别对应于2540像素/英寸（PPI）、5080 PPI和12700 PPI。

图3 高分辨率显示屏

这项研究是在三星未来技术研究基金和孵化中心的支持下进行的。

论文信息：
Chunghwan Jung, Soo-Jung Kim, Jaehyuck Jang, Joo Hwan Ko, Doa Kim, Byoungsu Ko, Young Min Song, Sung-Hoon Hong, Junsuk Rho. Disordered-nanoparticle–based etalon for ultrafast humidity-responsive colorimetric sensors and anti-counterfeiting displays. Science Advances, 2022; 8 (10)

DOI: 10.1126/sciadv.abm8598

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