非对称耦合超表面的数值优化.（A）由a-Si：H纳米天线组成的超表面单元，显示了在线极化入射下长轴平行于x轴（左元素）和y轴（右单元）的纳米天线的电场和磁场强度分布。高度h和位移d分别固定在400和300nm。（B）RCP入射下发射LCP分量的效率（TLR）与纳米天线的长度（L）和宽度（w）的函数关系。红点表示四个选定晶胞的几何形状，这些晶胞在考虑制造分辨率的同时具有高衍射效率。（C） 使用选定的一组八个单元进行全相位覆盖和波前调制。（D）从设计的不对称耦合超表面获得的稳定（笑脸，左）和警报状态（感叹号，右）的计算全息图。信用：科学进展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

生物和化学物质可以实时快速检测，用于公共卫生和环境监测目的。在一份关于科学进展的新报告中，Inki Kim和韩国和巴基斯坦的机械工程，材料科学和电气工程研究小组提出了一个紧凑的传感器平台，用于集成液晶（LC）和全息超表面，以感知挥发性气体的存在，然后提供即时的视觉全息警报。该团队将设置组合在一起，形成了超紧凑的气体传感器，无需复杂的仪器，以便通过视觉线索检测气体。研究人员通过一步纳米铸造工艺将基于超表面的气体传感器集成到稳定护目镜上，证明了紧凑型传感器的适用性。

液晶集成超表面

材料科学家已经设计了多种方法来检测目标物质及其相应的传感器平台，包括电、光、射频或微波信号变化。在这些传感器中，基于液晶的传感器因其灵敏度和实时快速检测而受到青睐。在这项工作中，Kim等人提出了一种紧凑型传感器平台，该平台将液晶与称为LC集成超表面（LC-MS）的全息超表面相结合，以感测挥发性气体并通过视觉全息警报提供即时反馈。该方法集成了液晶的刺激响应性和超表面的致密性的优点，同时通过提供气体传感构象大限度地提高了传感器的有效性。该团队使用氢化非晶硅（a-Si：H）开发了超表面全息图，旨在根据每个纳米结构的几何和传播阶段再现不同的全息图像。根据挥发性气体的存在与否，该装置可以传输不同的偏振态的光。

气体响应液晶（LC）电池的设计及其光学响应。（A）拟议的全息超表面气体传感器平台示意图。在没有目标危险气体的情况下，与气体响应LC集成的全息超表面投射稳定信号（笑脸），而在检测到气体时显示警报信号（感叹号）。右圆偏振（RCP;黄色箭头）照明产生“稳定信号”，左圆偏振（LCP;绿色箭头）照明产生“报警信号”。（B）微孔中气体响应液相色谱的示意图（侧视图）。最初，LC单元具有混合锚定配置，因为LC在空气界面处的垂直方向以及涂覆在玻璃基板上的摩擦聚酰亚胺设置的单向切向方向。然而，当引入挥发性气体时，LC顺序降低，因为各向同性气体分子会分配到LC层中。因此，向列到各向同性的相变发生在空气界面，并且随着更多的气体分子扩散到LC中，各向同性层会膨胀。 （C至E）暴露于IPA气体时LC电池的顺序光学显微照片（顶部）;参见电影 S1。比例尺，100 μm。（C）至（E）中的插图显示了相应的侧视图显微照片。液相色谱池放置在密闭室中，IPA 气体浓度约为 200 ppm。白色箭头表示偏振器（输入）和分析器（输出）的偏振。蓝色箭头表示摩擦方向。（F）随时间推移测量的延迟和计算的各向同性层厚度。对应于 （C） 到 （E） 的数据由蓝色、绿色和红色点标记。科学进展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

设计气体响应液晶电池

该团队通过各种外部刺激调节液晶的分子顺序。Kim等人首先以简单的几何形状观察并表征了LC的气体响应性。为了实现这一目标，他们用向列（与液晶有关或作为液晶的相）填充微孔结构。在实验过程中，科学家们使用异丙醇（IPA）气体作为检测的目标危险气体。当他们在封闭的室室中以恒定浓度暴露IPA气体时，它从白色转变为彩色。结果表明，液相色谱池能够及时检测有毒气体。然后，该团队使用具有不同剂量条件的一系列气体进行了实验，以测量氯仿检测时间约为1.3秒，丙酮检测时间为1.6秒，IPA气体为13.9秒，甲醇为58.3秒。随着剂量的增加，他们观察到更快的反应率。

当液晶恢复到其初始方向时，全息图会迅速恢复到稳定标志。科学进展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

科学家们基于传统的Pancharatnam-Berry（PB）相位调制方法设计了自旋编码的超表面，以了解自旋固有的对称性和相互作用的程度。由此产生的设备总效率仅为50%。为了克服光能量损失，该团队通过不对称耦合通过自旋编码设计了超表面，以用于左圆偏振（LCP）光和右圆偏振（RCP）光，以帮助打破传统的效率限制。纳米天线内磁电共振的限制验证了优化过程。该团队根据纳米天线保持高传输效率和固定增量相移的能力来选择纳米天线的尺寸。他们开发了从设计的不对称耦合超表面获得的稳定（笑脸）和警报状态（感叹号）的全息图。为了验证非对称耦合超表面的功能，Kim等人使用市售的全波电磁仿真软件Lumerical Inc.对元全息图进行了数值模拟。

全息气体传感器和可穿戴应用

科学家们使用气体响应LC-MS系统可视化了实时气体暴露。然后，他们测试了传感能力，全息图像的快速切换速率以及暴露于挥发性气体时光学装置中气体传感器的高衍射效率。Kim等人使用了一种无处不在的挥发性气体源，即含有包括IPA（异丙醇）在内的各种有机溶剂的板记号笔。元全息图器件包含一个a-Si：H纳米天线。在没有挥发性气体的情况下，传感器投射出微笑的全息图像作为稳定标志。暴露在气体中后，标志立即切换到感叹号以提供“警报信号”。当来自笔的挥发性气体扩散到液晶层时，就会发生此过程，从而降低光学延迟，将输出偏振光束的偏振从RCP（右圆偏振光）转换为LCP（左圆偏振光）。当团队去除气体时，全息图迅速恢复到其稳定标志，因为液晶恢复到初始方向。该过程可能在几秒钟内发生，标记与传感器的距离不会影响响应时间。这种类型的传感器将具有检测运输或气敏产品储存过程中有害气体暴露的应用。该团队还可以通过开发基于通过一步纳米铸造工艺形成的柔性超表面的可穿戴设备来扩展应用。与传统的纳米印刷不同，Kim等人包括一种功能化的紫外（UV）固化树脂，其中氧化钛纳米颗粒作为树脂复合材料，在此过程中用作介电超表面，而无需使用复杂的纳米制造工艺。该工艺也适用于批量生产。

LC-MS气体传感器的演示。（A） LC-MS气体传感器的光学装置（HWP，半波板;M1，镜子 1;M2，镜子2;P，偏光片;QWP，四分之一波板）。在没有 IPA 气体的情况下，LC-MS 传感器上照亮的 RCP 光在没有任何偏振转换的情况下通过 LC 层并传输到超表面。相反，LC层在暴露于IPA气体时将输入的RCP转换为LCP光。（B） 带有板标记作为挥发性气体（包括 IPA）来源的 LC-MS 气体传感器的照片。比例尺，3毫米。图片来源：Inki Kim，POSTECH。（C）集成介电超表面的光学和SEM图像。比例尺，100 μm。（D） 产生的全息图像报警。当电路板标记处的气体暴露时，LC-MS传感器会在几秒钟内迅速显示报警标志，并在气体去除后恢复初始稳定标志。科学进展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

概念验证

作为概念验证，他们随后在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上打印了一个柔性和保形全息气体传感器，并将其连接到稳定护目镜的表面上。然后，该团队针对532 nm波长的入射光优化了纳米颗粒 - 树脂复合超表面的参数，尽管该结构在更广泛的波长范围内也起作用。就这样，Kim等人研制出清晰的全息报警器。未来，他们可以小型化和集成所提出的柔性和保形气体传感器，以完全建立可穿戴和紧凑型气体传感器。这些传感器无需任何额外的复杂机械和电子设备即可运行，从而实现低成本的可穿戴气体传感器，可集成到工厂、建筑和清洁应用中。该设备还可以通过使用环境光而不是内部光源在反射模式下运行，以开发更便宜、更简单和小型化的传感器平台。

演示灵活的LC-MS气体传感器和集成稳定装置。（A）柔性超表面一步纳米铸造制造工艺的示意图。用 1 μm 高的 a-Si：H 超表面制成的母印经过化学处理，以降低粘合强度，从而简化脱模过程。分离的聚合物模具是可重复使用的。（B）用于纳米铸造工艺的硅母版印章的SEM图像（顶视图）。插图显示倾斜的视图图像。（C） 所得柔性超表面的照片。（D）NP树脂复合材料（NPC）超表面的相应SEM图像（俯视图）。插图显示倾斜的视图图像。图片来源：Inki Kim，POSTECH。（E 至 G）柔性和保形全息超表面气体传感器。完整的传感器由柔性LC单元和NPC超表面组成，安装在稳定护目镜的曲面上。与a-Si：H元全息图的表征类似，532 nm波长的RCP光被照亮到柔性气体传感器上以显示全息图像。LC细胞和NPC超表面结合良好。图片来源：Inki Kim，POSTECH。（H 和 I）实验演示了正常条件下的全息稳定信号和暴露于 IPA 气体时的报警信号。与a-Si：H器件相比，NPC超表面不仅具有更小的临界尺寸和更大的高度，这意味着更高的纵横比，而且在压印过程中也存在一些缺陷。因此，全息图像的衍射效率和清晰度下降。科学进展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

展望

通过这种方式，Inki Kim及其同事提出了通用和通用的设计规则，以实现动态可调和刺激响应超表面系统的潜力。拟议的LC-MS气体传感器平台提供了一个适合检测有毒气体的快速视觉报警系统，该团队验证了设计的气体传感器的实用性和可行性，以形成一个超紧凑，经济有效和用户友好的气体传感器系统，无需复杂的要求。该系统可作为可穿戴传感器使用，以防止气体中毒事故，传感器可以安装在手套或眼镜上，通过全息警报发出及时的视觉警告。