Reportaje - Un nuevo sensor óptico capaz de «ver» sustancias químicas peligrosas
Los sensores, desarrollados por el proyecto Dotsense *, se basan en una aplicación innovadora de puntos cuánticos y nanocables, que son semiconductores de un grosor miles de veces menor al de un cabello humano. Estas estructuras, construidas con el sistema semiconductor perteneciente a los nitruros del grupo III -(Al,In)GaN, un grupo de materiales semiconductores químicamente estables que presentan propiedades optoelectrónicas excelentes- muestran cambios en sus propiedades fotoluminiscentes cuando se exponen incluso a cambios muy sutiles en su entorno químico. «Hasta la fecha se han puesto en práctica muchos métodos de tecnología sensora, como por ejemplo la utilización de nanocables como sensores químicos, pero siempre se han basado en la medición de la conductividad eléctrica. Esto implica crear contactos eléctricos y medir cambios en la resistencia del nanocable en función del entorno químico en el que se encuentra», explicó el Dr. Martin Eickhoff, de la Universidad Justus Liebig de Giessen (Alemania) y coordinador del proyecto Dotsense. «Nuestro método evita este proceso. Nuestra solución se basa en un análisis completamente óptico.» En lugar de hacer pasar una corriente eléctrica por las nanoestructuras y medir la resistencia, el equipo de Dotsense creó un sistema sensor integrado que se sirve únicamente de luz. Un transductor óptico compuesto por una matriz de miles de millones de puntos cuánticos o nanodiscos de nitruro de galio (GaN) o Nitruro de galio-indio (InGaN) se sitúa en el interior del entorno líquido o gaseoso que se pretende examinar para a continuación proyectar una luz a través de un sustrato transparente que sirve al mismo tiempo de ventana aislante. Las propiedades fotoluminiscentes de las nanoestructuras cambian en función de las sustancias químicas presentes en el entorno controlado, de modo que varían la intensidad de la luz emitida por el transductor. El cambio puede interpretarse mediante fotodetectores que hay a la venta. «Aprovechamos la sensibilidad química y la elevada relación entre la superficie y el volumen de las nanoestructuras sin que sea necesario aplicar una tecnología de procesado más complicada y así el esfuerzo tecnológico necesario para instalar y utilizar este sistema sensor es mucho menor», aclaró el Dr. Eickhoff. Este método ofrece muchas ventajas. Es menos complejo pues se basa únicamente en luz y no existe la necesidad de establecer contactos eléctricos ni de contar con sistemas de medición. Los sensores pueden funcionar a temperaturas mucho menores en comparación con los sistemas sensores tradicionales. Además, por el medio a controlar lo único que pasa es luz y no electricidad, lo que incrementa considerablemente la seguridad del sistema, sobre todo en los casos en los que el gas o el líquido es inflamable, está a presión o es explosivo. EADS Innovation Works, miembro del consorcio de Dotsense, muestra interés en el empleo de la tecnología sensora opotoquímica en aplicaciones espaciales en las que la seguridad y la fiabilidad son primordiales. «En una aeronave podrían utilizarse para controlar la calidad del agua, el líquido del sistema hidráulico, posibles escapes de gas o de combustible», explicó el Dr. Eickhoff. «Al comienzo del proyecto nos ocupamos sobre todo de las aplicaciones aeronáuticas, pero pronto nos percatamos de que existen muchas otras aplicaciones de esta tecnología en muy distintas industrias.» Más sensibles que los sensores eléctricos El objetivo principal del proyecto Dotsense, financiado con 1,2 millones de euros por la Comisión Europea, fue el de desarrollar sensores químicos que no precisaran contactos eléctricos, pero el equipo descubrió que en distintas circunstancias su solución completamente óptica es mucho más sensible que las alternativas eléctricas. «Nuestro objetivo no era hacer un dispositivo de elevada sensibilidad, pero estas nanoestructuras ópticas resultaron ser mucho más sensibles que los sensores eléctricos», explicó el Dr. Eickhoff. «Es una situación que esperábamos se produjese pero de la que no podíamos estar seguros hasta la realización de los experimentos. En combinación con el resto de sus ventajas plantea una amplia gama de usos.» Como ejemplo citó la detección de gases en entornos industriales o en alarmas contra incendios domésticas, aplicaciones sanitarias y en la industria de procesamiento de alimentos para comprobar la composición de medios líquidos. «Este tipo de sensores presenta muchas aplicaciones. De hecho, para muchos sectores industriales resulta positivo que no cuenten con componentes eléctricos ni que exista una corriente eléctrica circulando en el medio sobre el que trabajan. Así pues, las ventajas clave de este método son la seguridad y la fiabilidad», explicó el coordinador de Dotsense. No obstante, esta tecnología aún debe recorrer un trecho hasta llegar a comercializarse. El equipo de Dotsense superó varios retos técnicos importantes como enviar la luz emitida mediante los transductores hacia el rango visible para que pudiera excitarse mediante LED y ser detectada por fotodetectores comerciales y baratos, controlar el crecimiento de las nanoestructuras y comprender los procesos fotoeléctricos que se producen en la superficie de las nanoestructuras en distintos entornos químicos. Pero aún es necesario profundizar en las investigaciones, destacó el Dr. Eickhoff. Para avanzar en este sentido, los miembros del equipo han presentado un proyecto nacional complementario denominado Sinomics en el que integrarán LED y fotodetectores en nanoestructuras en chip con el fin de crear dispositivos innovadores destinados a la detección y localización de gases. «Confío en que en unos años esta tecnología se hará un hueco en muchas aplicaciones y así resultará más barato -y por lo tanto más viable desde el punto de vista commercial- producir sensores completamente ópticos», confesó el Dr. Eickhoff. La investigación de Dotsense fue subvencionada por el Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea. Enlaces útiles: - Sitio web del proyecto Dotsense, «Puntos cuánticos de nitruros del grupo III como transductores ópticos para sensores químicos» - ficha informativa del proyecto Dotsense en CORDIS Artículos relevantes: - Un equipo financiado por la UE pone a prueba un nuevo material semiconductor - Un proyecto comunitario refuerza los componentes electrónicos para su uso en condiciones extremas - El proyecto europeo NEMSIC se propone mejorar la tecnología de detección por sensores