湿度敏感的比色传感器比传统的光学传感器快 10,000 倍。

原产于中美洲和南美洲热带雨林的大力神甲虫会在其环境中的相对湿度水平发生变化时改变其外壳颜色。甲虫的外壳在低湿度下呈橄榄绿色或黄色，在较高湿度下呈近黑色——这是光折射变化的结果。 

从大力神甲虫的外壳中汲取灵感，浦项科技大学 (POSTECH) 的一组研究人员制造了一种实时“超快”湿度传感光学传感器。

典型的光学湿度传感器如何工作。图片由MDPI提供

光学中的关键仪器：法布里-珀罗干涉仪 

为了开发这种传感器，研究人员研究了一种常见的光学仪器，即 法布里-珀罗干涉仪（或“标准具”）。标准具具有两个平行的部分镀银表面。在这两个表面之间的空腔中，光波可以来回反射——只有当它们与之共振时。由于腔内有多个光束干涉，干涉仪可以提供极高的分辨率。

法布里-珀罗干涉仪示意图。图片来自 Stigmatella aurantiaca [ CC BY-SA 3.0 ]

相比之下，POSTECH 研究人员使用的传感器包括金属纳米颗粒之间的间隙，从而产生了许多膜状孔隙。这些孔隙使原型的速度比传统的基于法布里-珀罗干涉仪的光学传感器快 10,000 倍。

该传感器与许多其他用于测量相对湿度的比色指示器一样工作：随着相对湿度水平的变化，比色指示器呈现出肉眼可观察到的不同颜色——红色、绿色、蓝色。

研究人员使用高度水敏感的标准具

研究人员的新型比色传感器基于可调谐的法布里-珀罗式谐振器。该谐振器包括无序金属纳米粒子的顶层和金属镜的底层。在这两层之间是气体响应介质。

当类法布里-珀罗谐振器与外部湿气接触时，它会从内部水凝胶薄膜中产生谐振频率。共振频率取决于水凝胶膜的厚度和折射率。

随着湿度的变化，壳聚糖水凝胶会膨胀和收缩。 图片由Science Advances提供

POSTECH 研究人员声称，这种壳聚糖（一种可生物降解的聚合物）水凝胶薄膜可以像超级海绵一样快速膨胀和收缩：它可以吸收其周围近 1,000 重量百分比的干重的水分。这种高吸水性质量来自水分子和壳聚糖聚合物之间的氢键。 

金属纳米粒子水凝胶-镜面标准具在潮湿和干燥状态下的特写视图。图片由POSTECH提供

用于安全的湿度敏感光学传感器

借助这种对湿度敏感的光学传感器，研究人员设想了许多安全应用——从 3D QR 码到防伪用例。首席研究员 Rho 教授指出，使用这种水响应彩色像素的安全代码可以集成到电子设备、身份证、护照和对湿度敏感的钞票的安全标签中。 

该团队认为，光学传感器甚至可以用于气体和水蒸气检测；凭借原型的快速比色传感能力，它可用于传感氢和氧等单原子气体、挥发性有机化合物以及硫化氢和氮氧化物等有毒气体。

这项研究由三星研究基金及其未来技术孵化中心资助。