The use of biological photonic nanostructures for selective gas and vapour sensing  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
83483
Type PD
Principal investigator Kertész, Krisztián Imre
Title in Hungarian Biológiai eredetű fotonikus nanoszerkezetek alkalmazása szelektív gáz-, gőzérzékelésre
Title in English The use of biological photonic nanostructures for selective gas and vapour sensing
Keywords in Hungarian nanoszerkezet, fotonikus kristály, érzékelő
Keywords in English nanostructure, photonic crystal, sensor
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)50 %
Physics (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Applied optics
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Biophysics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Starting date 2010-10-01
Closing date 2014-03-31
Funding (in million HUF) 11.980
FTE (full time equivalent) 2.59
state closed project
Summary in Hungarian
Egy korábbi munkában megmutattuk, hogy az egyes, fotonikus nanoszerkezetek által színezett szárnyú lepkefajok szárnyai faj- és (gőz/gáz)-specifikus optikai válaszjelet adnak (reflexiós maximum spektrális eltolódása), ha a környező levegőbe illékony szerves anyagok gőzeit keverjük.
A tervezett munka biológiai eredetű fotonikus nanoszerkezetek felhasználásával optikai kiolvasás elvén működő gázérzékelő tulajdonságainak kutatásával foglalkozik. Célja feltárni a különböző gáz-, vagy gőzkörnyezet (jellemzően szerves oldószerek gőzei) hatását a különböző lepkéken fellelhető fotonikus kristály típusú nanokompozitok fényvisszaverési tulajdonságaira. A visszavert fény spektrális változása a szerkezet és a gáz függvénye is, így várhatóan szelektív érzékelő készítése is lehetséges. A munka magában foglalja a korábban szerkezetileg vizsgált (SEM és TEM) nagy számú minta optikai jellemzését, a gázkeverő rendszer megépítését, a mérési adatok kiolvasására és feldolgozására alkalmas hardver és szoftver elkészítését és az adatok értelmezését. A feltárt összefüggések nemzetközi referált folyóiratokban közölhetők és egyaránt hozzájárulnak a biológia, optikai méréstechnika és szenzorika területekhez. A fejlesztés iránya a gyors válaszú kis anyagigényű - az optikai spektrométert LED dióda – fényérzékelő párosra cserélő - kis fogyasztású és kis helyet foglaló, kémiai anyagot azonosítani képes eszköz felé tart.
Summary
We showed earlier that certain physically colored butterfly wings (possessing “structural color”) exhibit an optical response (shift in reflectance maxima) when adding vapors of volatile organic compounds to ambient atmosphere, which is both butterfly species and gas specific. The proposed work investigates the gas sensing properties of natural photonic nanostructures, using optical read-out. The aim is the revealing of the effect of gas or vapor (typically volatile organic compounds, VOC) on light reflectance properties of photonic crystal type nanocomposites found on different butterfly wings. The spectral change of the reflected light depends on the composition of the ambient atmosphere and also on the wing nanostructure, so the preparation of a selective sensor is expected. The proposal includes the optical characterization of a large amount of earlier described (scanning and transmission electronmicrographs) samples, building a gas-mixing apparatus, designing and building proper hardware and software to read and process optical data, and computer based interpretation of the data. The revealed correlations will be published in referred international journals and they will contribute both the fields of biology, optical measurements, and sensorics. The final target is developing a high speed, low-cost (use of LED – photosensor instead of spectrophotometer) low-consumption, small chemically selective detecting device.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Bizonyos lepkék szárnyának kémiai eredetű színét a pikkelyekben található néhány 100 nm mérettartományban rendezett szerkezetek által előidézett fizikai szín is kiegészíti. Az ilyen színeket szerkezeti színeknek, a szerkezeteket pedig fotonikus kristályoknak nevezzük. A kutatás témája volt megvizsgálni különböző lepkéken fellelhető fotonikus kristály típusú nanokompozitok fényvisszaverési tulajdonságainak változását különböző gáz-, vagy gőzkörnyezet (jellemzően szerves oldószerek gőzei) hatására. Megterveztük és megépítettük a kutatáshoz szükséges mérési berendezéseket. Magyarországi boglárkalepke fajok kék szárnyain végzett mérések segítségével megmutattuk, hogy egyértelmű megfeleltetés van a szín és az azt előidéző szerkezet paraméterei között. Változtatva a gázkörnyezetet, lineáris összefüggést találtunk az optikai válaszjel és az alkalmazott gőzök koncentrációja között. Vizsgáltuk a jelenség hőmérsékletfüggését és megállapítottuk, hogy a jelentős különbségeket az optikai válaszban pórusos pikkelyszerkezetben történő kapilláris kondenzáció okozza. A pikkelyek felületének konformális bevonásával sikerült módosított szerkezeteket előállítani, amelyek eltérő választ adnak a kémiai környezet változására. Ilyen szerkezetek alkalmazásával integrált szenzorokban javítható az érzékelés szelektivitása. Eredményeinket nemzetközi referált folyóiratokban közöltük és számos konferencián bemutattuk.
Results in English
The chemical coloration in the wing of certain butterflies is augmented by a physical color given by ordered structures of few 100 nm size located in the wing scales. Such colors are called as structural colors, while the structures as photonic crystals. The aim of the research project was the determination of light reflectance variation properties of several butterfly wings depending on the chemical composition of the ambient, typically vapors of volatile organic compounds in air. We have designed and built the necessary equipment for the measurements. Using Hungarian blue polyommatine butterfly wing scales we showed unambiguous relationship between the wing coloration and the scale structural parameters. Changing the composition of the ambient we found linear dependence between the optical response signal and the concentration of the applied vapors. Investigating the temperature dependence of the effect, we found that the significant differences in the optical response are induced by the capillary condensation of the vapors in the wing structure pores. With the conformal coverage of the wing scale surfaces, we could prepare modified structures with changed optical response on the chemical ambient. Involving these structures in integrated sensors the selectivity can be enhanced. Our results were published in international peer reviewed journals and presented in several conferences.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83483
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kertész K, Piszter G, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Kék boglárkalepkék faj szerinti azonosítása a szárnyak optikai reflexiós spektruma alapján, A Magyar Tudomány Napja Erdélyben, Az Erdélyi Múzeum Egyesület, Természettudományok Szakosztálya Kolozsvár, 2010 Nov. 25. (szóbeli), 2010
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Color based discrimination of chitin–air nanocomposites in butterfly scales and their role in conspecific recognition, Analytical Methods 3, 78-83, 2011
Kertész K, Piszter G, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Kék boglárkalepkék faj szerinti azonosítása a szárnyak optikai reflexiós spektruma alapjánand displays, A Magyar Tudomány Napja Erdélyben, Az Erdélyi Múzeum Egyesület, Természettudományok Szakosztálya Kolozsvár, 2010 Nov. 25. (szóbeli), 2011
Biró LP, Kertész K, Piszter G, Tamáska I, Vértesy Z, Márk GI, Bálint Zs: Biologic and bioinspired photonic nanoarchitectures for selective chemical sensing and displays, European Materials Research Society (E-MRS) 2011 Spring Meeting May 9-13, 2011, Nice, France (meghívott), 2011
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Color based discrimination of chitin–air nanocomposites in butterfly scales and their role in conspecific recognition, International Workshop of Advanced Materials and Technologies, MTA MFA March 23-25, 2011, Budapest (szóbeli), 2011
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: The role of photonic nanoarchitectures in discrimination and conspecific recognition of butterflies, International Conference on Biological Physics June 19-24, 2011, San Diego, USA (szóbeli), 2011
Biró LP, Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs: Structure-color-species correlation in photonic nanoarchitectures occurring in butterfly scales, European Materials Research Society (E-MRS) 2011 Spring Meeting May 9-13, 2011, Nice, France (poszter), 2011
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Photonic nanoarchitectures in butterfly scales allowing species identification, The European Future Technologies Conference and Exhibition May 4-6, 2011, Budapest (poszter), 2011
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Biológiai eredetű fotonikus kristályok vizsgálata – a kölcsönvett nanotechnológia, Rajk László Szakkollégium, Innovációs menedzsment kurzus Budapest, 2011 Ápr. 14. (népszerűsítő), 2011
Piszter G., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs., Biró L. P.: Photonic nanoarchitectures in butterfly scales allowing species identification, Procedia Computer Science 7, 200-201, 2011
Bálint Zs., Kertész K., Piszter G., Vértesy Z., Biró L. P.: The well-tuned Blues: the role of structural colours as optical signals in species recognition of a local butterfly fauna (Lepidoptera: Lycaenidae: Polyommatinae), Journal of the Royal Society Interface 9, 1745-1756, 2012
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Vértesy Z., Bálint Zs., Biró L. P.: Polyommatine butterfly wing nanostructures applied for gas sensing, Geometry of Interfaces October 3-7, Primosten, Croatia (szóbeli), 2011
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Selective optical gas sensors using butterfly wing scales nanostructures, International Conference on Materials and Applications for Sensors and Transducers May 24-28, Budapest, (szóbeli), 2012
Vértesy Z., Piszter G., Kertész K., Bálint Z., Biró L. P.: Structural colors and nanostructures in lycaenid Blue butterfly species – how to recognize and to be recognized in the same habitat, 10th Multinational Congress on Microscopy, 4 - 9 September, Urbino, Italy (szóbeli), 2011
Vértesy Z., Kertész K., Piszter G., Bálint Z., Biró L. P.: Structural colors in the sexual communication of lycaenid Blue butterfly species, EMRS Fall Meeting, Warsaw Poland, September 19-23 (szóbeli), 2011
Kertész Krisztián, Piszter Gábor, Vértesy Zofia, Bálint Zsolt, Biró László Péter: Biológiai nanoarchitektúrák szerkezeti színei, Talpra mAGYarok! Vác,. október 15-16 (poszter), 2011
Kertész Krisztián, Piszter Gábor, Vértesy Zofia, Bálint Zsolt, Biró László Péter: Biológiai nanoarchitektúrák szerkezeti színei, Talpra mAGYarok! Vác, 2011. október 15-16 (szóbeli), 2011
Blahó M., Egri Á. Hegedüs R., Jósvai J., Tóth M., Kertész K., Biró L. P., Kriska Gy. Horváth G.: No evidence for behavioral responses to circularly polarized light in four scarab beetle species with circularly polarizing exocuticle, Physiology & Behavior 105, 1067–1075, 2012
Blahó M., Egri Á., Horváth G., Hegedüs R., Kriska Gy., Jósvai J., Tóth M., Kertész K., Biró L. P.: A cirkulárisan fénypolarizáló szkarabeuszok nem reagálnak a cirkuláris polarizációra, Fizikai szemle LXII. 7-8 és 9, 2012
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Bálint Zs, Biró LP: Color based discrimination of chitin–air nanocomposites in butterfly scales and their role in conspecific recognition, Analytical Methods 3, 78-83, 2011
Piszter G, Kertész K, Vértesy Z, Mark GI, Balint Z, Biro LP: Structure-Color-Species Correlation in Photonic Nanoarchitectures Occurring in Blue Lycaenid Butterfly Scales, JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY 12:(11) pp. 8822-8828, 2012
Bálint Zs., Kertész K., Piszter G., Vértesy Z., Biró L. P.: The well-tuned Blues: the role of structural colours as optical signals in species recognition of a local butterfly fauna (Lepidoptera: Lycaenidae: Polyommatinae), Journal of the Royal Society Interface 9, 1745-1756, 2012
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Selective optical gas sensors using butterfly wing scales nanostructures, Key Engineering Materials pp. 97-100, 2013
István Tamáska, Krisztián Kertész, Zofia Vértesy, Zsolt Bálint, András Kun, Shen Horn Yen, László Péter Biró: Color Changes upon Cooling of Lepidoptera Scales Containing Photonic Nanoarchitectures, Key Engineering Materials 543: pp. 18-21, 2013
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Color change of Blue butterfly wing scales in an air - Vapor ambient, APPLIED SURFACE SCIENCE 281: pp. 49-53, 2013
Kertész Krisztián, Piszter Gábor, Vértesy Zofia, Biró László Péter, Bálint Zsolt: SZÍNEK HARMÓNIÁJA: A BOGLÁRKALEPKÉK SZERKEZETI KÉK SZÍNÉNEK FAJFELISMERÉSI SZEREPE: I. RÉSZ, FIZIKAI SZEMLE 7-8: pp. 231-235, 2013
Kertész Krisztián, Piszter Gábor, Vértesy Zofia, Biró László Péter, Bálint Zsolt: SZÍNEK HARMÓNIÁJA: A BOGLÁRKALEPKÉK SZERKEZETI KÉK SZÍNÉNEK FAJFELISMERÉSI SZEREPE: II. RÉSZ, FIZIKAI SZEMLE 9: pp. 293-298, 2013
Tamáska I., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs., Kun A., Yen S-H., Biró L. P.: Colour changes upon cooling of Lepidoptera scales containing photonic nanoarchitectures, and a method for identifying the changes, Journal of Insect Science 13, 87, 2013
Kertész K., Piszter G.: Színes lepkeszárnyak nanoszerkezettől az alkalmazásig, Élet és tudomány 16. 499-501, 2013
Kertész K., Piszter G., Bálint Zs., Vértesy Z., Jakab E., Biró L. P.: Selective chemical sensing of butterfly wing scales nanostructures, European Materials Research Society, Spring Meeting, 2012 May 14-18, Strasbourg, France (szóbeli), 2012
Tamáska I., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs., Kun A., Yen S.-H., Biró L. P.: Color changes upon cooling of Lepidoptera scales containing photonic nanoarchitectures, International Conference on Materials and Applications for Sensors and Transducers, 24-28 May, Budapest, Hungary (szóbeli), 2012
Vértesy Z., Kertész K., Piszter G., Bálint Zs., Biró L. P.: Role of structural colors in the communication of lycaenid Blue butterfly species, 9 th Polish-Japanese Joint Seminar on Micro and Nano Analysis, 10-13 September 2012, Sieniawa, Poland (meghívott), 2012
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Color change of Blue butterfly wing scales in an air-vapor ambient, EMRS Fall Meeting 2012, September 17 - 21, Warsaw, Poland (szóbeli), 2012
Piszter G., Kertész K., Bálint Zs., Jakab E., Vértesy Z., Biró L. P.: Butterfly wing scale nanostructures as selective optical gas / vapor sensors, International Conference on Competitive Materials and Technology Processes, 2012 October 8-12, Lillafüred, Hungary (szóbeli), 2012
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Boglárkalepkék pikkelyeinek színi változása a gázkörnyezet függvényében, Magyar Tudomány Napja Erdélyben, 2012 November 23-24, Kolozsvár, Románia (szóbeli), 2012
Kertész K., Piszter G., Vértesy Z., Bálint Zs., Biró L. P.: Kék rokon boglárkalepke-fajok szerkezeti színei, Talpra mAGYarok! 2012, Vác, 2012. október 13-14. (poszter), 2012
Kertész K., Piszter G., Baji Zs., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Gas sensing on bare and modified Blue butterfly wing scales, EMRS Fall Meeting 2013, September 16 - 20, Warsaw, Poland (meghívott), 2013
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Vapor sensing mechanism and properties of Blue butterfly wing scales, European Materials Research Society (E-MRS) 2013 Spring Meeting May 27-31, 2013, Strasbourg, France (poszter), 2013
Piszter G., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs., Biró L. P.: Vapor sensing properties of blue butterfly wing scales, Advanced Study Institute “Nanomaterials and Nanoarchitectures” 30th June – 7th July 2013, Cork, Ireland (poszter), 2013
Kertész K., Bálint Zs., Biró L. P., Piszter G., Jakab E., Vértesy Z.: Lepkeszárnyakon található nanoarchitektúrák gázérzékelési tulajdonságai, Magyar Fizikus Vándorgyűlés, 2013 2013 augusztus 21-24, Debrecen (poszter), 2013
Kertész K: Szárnyaló fotonikus nanoszerkezetek, Pápai Református Kollégium Gimnáziuma, 2014. jan. 31 (meghívott), 2014
Kertész K., Piszter G., Baji Zs., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Gas sensing on bare and modified Blue butterfly wing scales, Chemical Sensors 4: 17, 2014
Piszter Gábor, Kertész Krisztián, Vértesy Zofia, Jakab Emma, Biró László Péter: LEPKESZÁRNYAKON TALÁLHATÓ FOTONIKUS NANOARCHITEKTÚRÁK GÁZÉRZÉKELÉSI TULAJDONSÁGAI, FIZIKAI SZEMLE 4: 120-125, 2014
Kertész K., Piszter G., Jakab E., Bálint Zs., Vértesy Z., Biró L. P.: Temperature and saturation dependence in the vapor sensing of butterfly wing scales, Materials Science and Engineering C 39, 221-226, 2014



Back »