Умные часы, умные холодильники, умные чайники, умные подгузники (да, такое тоже есть) — в последние годы в мире электроники и не только появилось множество экземпляров устройств, чьи возможности были расширены сверх их первоначального спектра. Как правило, одной из основных черт «умных вещей» является связь с Интернетом, но это далеко не единственный критерий, по которому можно судить об интеллектуальных способностях гаджетов.

Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Пхоханского университета науки и технологии (Пхохан, Южная Корея) создали цветоизменяющий датчик влажность воздуха, не требующий внешнего источника энергии или специфического источника света. Какими особенностями обладает необычное устройство, как оно создавалось и где его можно будет применять? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых.

Основа исследования

В основе новой разработки лежит достаточно известная концепция — резонатор Фабри—Перо.

В далеком 1899 году французские физики Шарль Фабри (1867–1945) и Альфред Перо (1863–1925) предложили новый формат многолучевого интерферометра, где будет использовано две частично посеребренные стеклянные пластины, расположенные на определенном расстоянии (эталон Фабри-Перо) друг от друга. Эта идея была использована в создании лазеров и применяется по сей день.

Интерферометр Фабри-Перо, но уже в виде резонатора, способного накапливать оптическую энергию, был описан уже в 1958 году. За чем последовали долгие патентные тяжбы на почве одновременного предложения этой теории сразу несколькими учеными (Прохоров, Шавлов и Таунс, Гулд). В результате было принято решение, что патент принадлежит именно Гордону Гулду, поскольку именно он предложил полную схему с открытым резонатором раньше соперников.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании резонатор Фабри-Перо был реализован за счет структуры металл–изолятор–металл, в которой роль изолятора исполняет гидрогель хитозан. Когда влажность меняется, хитозан набухает, что влияет на пропускающий структурный цвет многослойной структуры.

В добавок был использован фотоэлектрический элемент. Изменение тока через фотоэлектрическую ячейку обеспечивает быстрое и точное измерение относительной влажности, а изменение цвета многослоя дает приблизительную, дистанционно считываемую оценку.

Хитозан является полукристаллическим биополимером, полученным из хитина*, и является биоразлагаемым, биосовместимым и нетоксичным. Устройства, в основе которых лежит хитозан, уже давно применяется в оптике и наноэлектронике (например, плоские оптические волноводы для датчиков влажности и газовых датчиков).

Хитин* — (С₈H₁₃NO₅)_n, природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Хитин является основой экзоскелета многих насекомых, однако впервые он был найден в грибах. В 1821 году Анри Браконно обнаружил в грибах вещество, которое не разлагалось в серной кислоте, и назвал его «фунгин». Более поздний термин «хитин» был предложен Одье в 1823 году, когда он выделил это вещество из насекомых.

Кроме того, хитозан обладает отличными пленкообразующими свойствами, пористой структурой и способностью набухать, поглощая молекулы воды из воздуха, что влияет на его электропроводность и на спектр поглощения. Вышеописанные свойства хитозана делают его идеальным кандидатом на роль датчика относительной влажности (RH от relative humidity).

Вторым важным элементом разработки является понятие «структурные цвета».