新的纳米技术允许非接触式光学手指运动跟踪

2018-05-16

em马克斯普朗克研究所的科学家已经开发出纳米结构,只要手指靠近它们就会改变它们的电学特性,甚至是它们的光学特性,使得无触摸光学手指追踪成为可能。 / em

虽然触摸屏是实用的,但非接触式显示器更是如此。这是因为,尽管触摸屏已经使智能手机进入了我们的生活,并且对于我们能够使用自动提款机或售票机来说是必不可少的,但它们确实存在一些缺点。触摸屏随着时间而遭受机械磨损,并且是细菌和病毒的传播途径。

非接触式显示器可能能够利用一种至关重要的人体特征,尽管有时是不需要的:这是我们的身体出汗并且不断通过皮肤上的小孔释放水分子的事实。由斯特加特马克斯普朗克固态研究所和慕尼黑慕尼黑大学的Bettina Lotsch领导的纳米化学小组的科学家们现在已经能够用一种特殊的湿度传感器观察手指的蒸腾作用,该传感器只要一个物体 - 就像一个物体食指接近其表面,不接触它。湿度增加被转换成电信号或转换成颜色变化,从而使其能够被测量。

磷脂酰锑酸是它能够做到这一点的原因。该酸在室温下是结晶固体,具有由锑,磷,氧和氢原子组成的结构。 “科学家很早就知道这种材料能够吸收水分并在此过程中大量膨胀,”马克斯普朗克固态研究所和慕尼黑慕尼黑化学系的博士生Pirmin Ganter解释道。这种吸水性也会改变材料的性质。例如,其电导率随着储存的水分子数量的增加而增加。这就是它能够作为环境湿度的一种衡量标准。

em湿度传感器可实现非接触式屏幕。与马克斯普朗克固态研究所和慕尼黑慕尼黑大学的B. Lotsch合作开发的非接触式显示器材料改变了其导电性,并将其转变为光子纳米结构 - 颜色也是如此水蒸气。 / em

暴露于湿气的三明治纳米材料结构也改变其颜色

但是,科学家们对开发新型湿度传感器并不感兴趣。他们真正想要的是将其用于非接触式显示器。 “因为这些传感器以非常局部的方式对水分的增加作出反应,所以很可能这种具有湿度依赖特性的材料也可用于非接触式显示器和监视器,”Ganter说。这种非接触式屏幕只需要一个手指即可靠近显示屏,以便在显示屏上的特定位置改变其电气或光学属性 - 以及输入信号。

以磷锑酸盐纳米片为基础,斯图加特科学家开发了一种光子纳米结构,通过改变颜色对水分产生反应。 “如果这是建立在显示器中的,那么用户就会收到他们手指动作的可见反馈”,Bettina Lotsch小组的博士生Katalin Szendrei解释说。为此,科学家们创造了一种多层夹心材料,其具有超薄磷酸锑酸盐纳米片和二氧化硅(SiO2)或二氧化钛纳米颗粒(TiO2)的交替层。由十多层组成,堆垛最终达到了一米多一百万分之一的高度。

首先,夹层材料的颜色可以通过层的厚度来设定。另一方面,如果科学家增加材料周围的相对湿度,例如通过将手指移向屏幕,三明治的颜色就会发生变化。 Katalin Szendrei解释说:“其原因在于水分子在磷酸锑酸盐层之间的储存,这使得层显着膨胀。 “在这个过程中,各层厚度的变化伴随着传感器颜色的变化 - 产生的方式类似于给蝴蝶翅膀或珍珠母赋予颜色的方式。”

材料在几毫秒内对湿度变化作出反应

这是一种基本众所周知的特性,即所谓的光子晶体的特性。但是科学家们之前从未观察到他们现在在斯图加特的实验室中有如此大的颜色变化。 “例如,当手指靠近时,纳米结构的颜色从蓝色变为红色。通过这种方式,颜色可以通过整个可见光谱进行调整,具体取决于所吸收的水蒸气的量,“Bettina Lotsch强调。

科学家的新方法不仅因为惊人的颜色变化而令人着迷。还有一个重要的事实是,材料会在几毫秒内对湿度的变化作出反应 - 字面意思就是眨眼间。以前报告的材料通常需要几秒或更长时间才能做出回应。这对于实际应用来说太慢了。还有另一件事情,其他材料不可能总是这样做:由磷酸锑酸盐纳米片和氧化物纳米颗粒组成的三明治结构从化学角度来看是高度稳定的并且对水蒸气有选择性响应。

防止化学影响的层必须让水分通过

科学家可以想象他们的材料不仅仅是智能手机,平板电脑或笔记本电脑的后代。 Bettina Lotsch表示:“最终,我们可以看到非接触式显示器也被部署在许多人们目前不得不触摸显示器的地方进行导航。例如在自动提款机或售票机中,甚至在超市的蔬菜通道的秤上。在许多不同的人使用的公共场所显示,如果他们没有触碰,会有明显的卫生好处。

但在我们看到它们在这些地方被使用之前,科学家们还有几个挑战需要克服。例如,重要的是纳米结构可以经济地生产。为了尽量减少磨损,如果要用于显示器之类的任何物体,结构仍然需要涂上保护层。而且,这又必须满足两个不同的要求:它必须保护湿敏层不受化学和机械影响。当然,它必须让水分通过。但斯图加特的科学家们已经对如何实现这一点有了一个想法。他们目前正在开始实施与船上另外一个合作伙伴合作的想法。

出版物:Katalin Szendrei等人,“Touchless Optical Finger Motion Tracking Based on 2D Nanosheets with Giant Moisture Responsiveness”,Advanced Materials,2015; DOI:10.1002 / adma.201503463

Source:Max Planck Institute