GOALI: Ink-jet nanoparticle alignment layers for multi-responsive liquid crystal gas and vapor sensing

GOALI:用于多响应液晶气体和蒸汽传感的喷墨纳米颗粒排列层

基本信息

  • 批准号:
    1807364
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

To interact and function in today's environment, the human nervous system has developed specific sensory systems or organs, one or in some cases several dedicated to each sense. The five familiar senses are sight, taste, hearing, smell, and touch. Our senses create joy and pleasure, but also pain and sorrow. In some cases they warn us from imminent danger, in other cases they do not or only when it is already too late. This project focuses on liquid crystal-nanoparticle sensors for the qualitative and quantitative detection of toxic gases and vapors. These integrative sensors systems can display an unmistakable warning in the form of text or an image in the presence of toxic gases and vapors without any electrical power, and provide parts-per-million level sensitivity. The active component of these sensors is based on reactive, ink-jet printed nanoparticle alignment layers for nematic liquid crystals. In analogy to omnipresent liquid crystal displays, an image (or readable pattern) emerges due to the presence of specific hazardous toxic gases and vapors that could affect the lives and health of firefighters, military personnel in conflict zones, first responders, and workers in chemical manufacturing among others. Sensors for volatile compounds exhaled by humans can also be used to monitor disease states and disease progression such as in diabetes, liver disease, or cancer.The focus of the proposed activities is to advance recent findings that nanoparticles and particularly their surface functionalization induce and alter the orientation of nematic liquid crystal molecules in direct contact with them. By applying this concept, gold nanoparticles in the size regime between 1 and 10 nm with reactive surface ligands are synthesized and patterned via ink-jet printing to devise sensors for multiple hazardous (chlorine, phosgene, cyanide, amines, dialkyl chalcogenides) or less hazardous gases and vapors (ketones). The combination of nanoparticle ink-jet printing and established concepts of optical and electro-optical responses of nematic liquid crystals in contact with nanoparticles and other surfaces enables the creation of highly sensitive and selective sensors, where the sensing event produces a direct visual readout or warning without the use of electrical power. The proposed research in collaboration with an industrial partner offers new prospects for sensing harmful environments and monitoring disease progression, both quantitative and qualitative, wearable and remote, and with multiple detection modes. In conjunction with simulations, measurements of light transmission and birefringence in the presence and absence of applied electric fields provide unparalleled datasets for the development of liquid crystal sensors for the simultaneous quantitative and qualitative detection of multiple toxic and non-toxic gases and vapors. Overall, these activities create knowledge for advanced sensor materials and foster strong advanced material science education.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
为了在当今的环境中相互作用和发挥作用,人类神经系统已经开发出特定的感觉系统或器官,一个或在某些情况下有几个专用于每种感觉。熟悉的五种感官是视觉、味觉、听觉、嗅觉和触觉。我们的感官创造欢乐和快乐,但也创造痛苦和悲伤。在某些情况下,它们会警告我们即将发生的危险,而在其他情况下,它们不会警告我们,或者只有在为时已晚的情况下才警告我们。该项目重点研究用于有毒气体和蒸气定性和定量检测的液晶纳米颗粒传感器。这些集成传感器系统可以在存在有毒气体和蒸汽的情况下以文本或图像的形式显示明确无误的警告,无需任何电力,并提供百万分之一的灵敏度。这些传感器的活性组件基于用于向列液晶的反应性喷墨印刷纳米颗粒排列层。与无所不在的液晶显示器类似,由于特定危险有毒气体和蒸气的存在,会出现图像(或可读图案),这些气体和蒸气可能会影响消防员、冲突地区的军事人员、急救人员和化学行业工人的生命和健康制造业等。人类呼出的挥发性化合物的传感器也可用于监测疾病状态和疾病进展,例如糖尿病、肝病或癌症。拟议活动的重点是推进纳米粒子,特别是其表面功能化诱导和改变的最新发现与其直接接触的向列液晶分子的取向。通过应用这一概念,合成了尺寸在 1 至 10 nm 之间、具有反应性表面配体的金纳米粒子,并通过喷墨印刷进行图案化,以设计用于多种危险(氯、光气、氰化物、胺、二烷基硫属化物)或危险性较低的传感器气体和蒸气(酮)。纳米颗粒喷墨打印与与纳米颗粒和其他表面接触的向列液晶的光学和电光响应的既定概念相结合,能够创建高度灵敏和选择性的传感器,其中传感事件会产生直接的视觉读数或警告无需使用电力。与工业合作伙伴合作提出的研究为感知有害环境和监测疾病进展提供了新的前景,包括定量和定性、可穿戴和远程以及多种检测模式。结合模拟,在存在和不存在施加电场的情况下测量光透射和双折射,为液晶传感器的开发提供了无与伦比的数据集,用于同时定量和定性检测多种有毒和无毒气体和蒸汽。总体而言,这些活动为先进传感器材料创造了知识,并促进了强大的先进材料科学教育。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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