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東海大學應用物理學系-最新消息--研究速報:本系黃家逸老師利用超穎材料偵測有毒有機氣體,登上知名國際期刊

研究速報:本系黃家逸老師利用超穎材料偵測有毒有機氣體,登上知名國際期刊

  • 單位 : 物理系
  • 分類 :
  • 點閱 : 584
  • 日期 : 2019-11-21
過去文獻中知道超穎材料可感測有機溶劑,由於超穎材料為人造的週期結構並且對元件周圍環境折射率的改變非常敏感,所以適合做為兆赫波感測器。但有機溶劑在具有相似折射率情況下,兆赫波頻譜就會有相同的共振峰值,無法分辨出有機溶劑的種類。本系黃家逸老師實驗室利用簡單製作的PDMS樣品盒搭配超穎材料,如圖1、圖2(a)與2(b)。偵測具有相似折射率的有機溶劑。藉由PDMS的溶脹,提升超穎材料對相似折射率有機溶劑偵測的敏感性。本研究成果可用於甲苯等有毒有機溶劑之檢測,未來應用可期,發表於國際知名期刊「Applied Physics Letters」(應用物理通訊)。

圖一:本研究之材料影像。

圖1(a)塑膠基板塗佈PDMS鍍上超穎材料的元件示意圖。(b)單一分裂環(超穎材料)示意圖。

甲苯是工業常用的有機溶劑,經常使用在塗料、塑膠及印刷等工業上。生活日常中,室內建築物常使用之油漆,甲苯是油漆常見合稀釋劑。如果選用的是劣質油漆,甲苯會殘留在室內中,若久久無法發揮發完全。長期處於充滿甲苯的密閉空間內,輕則頭痛,重則會傷害中樞神經,甚至有致癌的可能。因此本實驗選用甲苯溶劑當待測物,在兆赫波頻譜下,酒精、0.5 w%甲苯溶劑與1.0 w%的甲苯溶劑擁有相似折射率,如圖3。利用低濃度甲苯溶劑,檢驗元件對甲苯溶劑的敏感性。實驗的結果發現,低濃度甲苯,就會讓元件中的超穎材料溶脹,因此當超穎材料尺度上有些微變化,訊號頻譜就會移動,且甲苯溶劑濃度越高,越會讓頻譜產生紅移,如圖4。由此可知,沉積在樣品上的超穎材料,是因PDMS的溶脹產生結構上的變化,藉此偵測相似折射率且低濃度的有機溶劑。

石化工業在台灣已是普遍且成熟的技術,然而存留在地面下的管線卻仍使用將近一二十年前的管線,萬一再有像是高雄氣爆的事件發生,後果不堪設想。因此可利用此簡單且靈敏的有機溶劑檢測元件,也能應用於偵測老化的石化管線。能夠及早找出洩漏點,檢測出洩漏的有機溶劑。

圖3.酒精、0.5 w%甲苯溶劑與1.0 w%甲苯溶劑的兆赫波頻譜折射率圖。
圖4. PDMS鍍上超穎材料元件對不同濃度的有機溶劑兆赫波頻譜圖。

論文:Wei-Fan Chiang, Harry Miyosi Silalahi , Yuan-Ming Liu, Yan-Shou Lin, Tsung-Hao Chang, Chia-Rong Lee, and Chia-Yi Huang*, “Swelling of polydimethylsiloxane in toluene solutions on electromagnetic resonance of metamaterials,”Applied Physics Letters 115, 211901 (2019).