Sensores colorimétricos detectam mudanças ambientais mudando as cores intuitivamente, facilmente visíveis a olho nu, sem a necessidade de equipamento adicional. Além disso, eles operam com consumo zero de energia. Ao mudar as cores visivelmente, sem a necessidade de equipamento adicional, esses sensores têm o potencial de desempenhar papéis críticos em aplicações como embalagens de alimentos e preservação de artefatos antigos, onde a umidade ideal é crucial para o controle de qualidade.

Para detecção precisa de umidade, sensores colorimétricos devem cobrir uma ampla gama de cores, demonstrar uma correlação linear entre cor e umidade, responder rapidamente e manter estabilidade de longo prazo. Sensores que alcançam coloração por meio de mudanças estruturais são geralmente mais vantajosos do que sensores baseados em reações químicas.

Entre elas, estruturas metal-hidrogel-metal (MHM) que utilizam ressonância de Fabry-Pérot se destacam devido à sua simplicidade e geração de cores diversificada, pois mudanças na espessura da cavidade do hidrogel, frequentemente usando materiais de expansão como quitosana, levam a cores diferentes. No entanto, designs convencionais ainda sofrem com representação de cores limitada e resposta lenta.

Para abordar essas questões, uma equipe de pesquisa da Coreia do Sul, liderada pelo professor associado Gil Ju Lee da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade Nacional de Pusan, desenvolveu um inovador sensor colorimétrico ressonante de Fano nanoestruturado bidimensionalmente (2D) (nFRCS).

Dr. Lee explica, "Nosso design introduz matrizes de nanofuros que utilizam ressonância de Fano e ressonâncias plasmônicas, melhorando significativamente a gama de cores ao controlar o espectro de refletância da coloração subtrativa para a coloração aditiva. Além disso, esses canais de nanofuros também melhoram a responsividade." As descobertas foram publicadas no periódico Optica .

O nFRCS compreende uma estrutura MHM de prata-quitosana-prata com uma fina camada superior e uma espessa camada inferior. O MHM também tem um revestimento fino e poroso de germânio (Pr-Ge). Este revestimento é uma adição essencial que transforma o MHM de um ressonador Fabry-Perot em um ressonador Fano, melhorando significativamente a representação de cores.

Além disso, o nFRCS incorpora matrizes de nanofuros 2D (NHAs) na camada MHM que estabelecem uma rota direta para vapores de água no ambiente para atingir e interagir com a camada de quitosana. Devido à natureza hidrofílica da quitosana, em condições altamente úmidas, a quitosana absorve moléculas de água, fazendo com que ela inche, e em condições secas libera moléculas de água, encolhendo seu volume, resultando em uma mudança de cor dependente do nível de umidade.

Esses NHAs também melhoram a capacidade de resposta do sensor, e seu padrão ordenado facilita interações adicionais entre luz e matéria, como ressonância plasmônica de superfície (SPP) e ressonância plasmônica de superfície local (LSPR), aumentando ainda mais o desempenho.

Os pesquisadores fabricaram o sensor nFRCS usando litografia de nanoimpressão roll-to-plate (NIL), que usa um método semelhante à estampagem para transferir os padrões em nanoescala para a camada MHM. Comparado às técnicas convencionais de fabricação de nanoestruturas caras, esse método economiza tempo e custo.

Em experimentos, o nFRCS fabricado mostrou uma ampla gama de cores, excedendo o RGB padrão (sRGB), mostrando 141% de cobertura sRGB e 105% de cobertura Adobe RGB, superando estudos anteriores. Além disso, demonstrou excelente responsividade com tempos de resposta e recuperação de 287 e 87 milissegundos, respectivamente.

Destacando as aplicações mais amplas do sensor, o Dr. Lee diz: "Além da detecção de umidade, o nFRCS também pode servir como dispositivos de monitoramento de saúde, displays inteligentes e materiais internos, reagindo a estímulos externos gerando mudanças de cor distintas. Este design pode servir como uma estrutura para outros tipos de sensores colorimétricos que detectam diferentes mudanças ambientais além da umidade."

No geral, esse sensor inovador representa um avanço significativo no monitoramento ambiental em tempo real e sem consumo de energia.