Nanotecnología

Han sido desarrollados aparatos para la detección química basados en nanotecnología. Estos aparatos contienen un conjunto de sensores de productos químicos. Cada sensor consiste en una nanoestructura (elegida entre muchas diferentes categorías de materiales sensores, en este caso, nanotubos de carbono, pueden ser también óxidos semiconductores de metales…) y un electrodo como transductor. Éste es un tipo de sensor electroquímico que implica la transferencia de carga de un electrodo a otro. Esto significa que al menos dos electrodos constituyen una célula electroquímica para formar un circuito eléctrico cerrado. El motivo para el uso de la nanotecnología es que debido a la mayor superficie específica expuesta proporcionan una mayor adsorción de las especies químicas a detectar, y por tanto una muy alta sensibilidad. Además, necesitan menor potencia eléctrica (bajan la potencia hasta entre los miliwatios y los microwatios) y proporcionan un coste menor, y un menor peso (del orden de gramos) para aplicaciones portátiles para el análisis químico in situ. Estos nanosensores pueden ser utilizados para el análisis químico de gases, pero también se pueden extender sus aplicaciones a la detección de líquidos. Para mejorar su selectividad, se pueden dopar con catalizadores y mezclar con polímeros. Debido a la interacción entre las nanoestructuras y las moléculas de gas, se producen cambios en la configuración electrónica de la nanoestructura, que producen cambios en la corriente eléctrica o en el voltaje observados antes y después de la exposición a especies gaseosas tales como NO₂, NH₃, acetona, metano, benceno, tolueno, etc. Midiendo el cambio de conductividad de estos nanotubos de carbono se puede medir la concentración de esas especies químicas, y el tiempo de respuesta esta entre los segundos y los minutos.En distintos experimentos, estos sensores formados por nanotubos de carbono han sido expuestos a varias concentraciones diferentes de NO_2, entre 10 ppm y 400 ppb a temperatura ambiente, y a varias concentraciones de NH₃, entre 50 ppm y 5 ppm a temperatura ambiente también. Con los mismos materiales sensores y el mismo gap, el aparato sensor ha detectado el NO₂ en cantidades de ppb y ha respondido disminuyendo su resistencia eléctrica. Mediante cálculos de la señal de ruido se ve que también es capaz de detectar NH₃ en las ppb, y responde aumentado su resistencia eléctrica. Este cambio direccional en la resistencia proporciona una diferenciación entre el NO₂ y el NH₃. Los materiales nanoestructurales tales como nanotubos de carbono y nanohilos de óxidos semiconductores de metales de transición aumentarán nuestras capacidades de detección tanto en la tierra como en el espacio. Por ejemplo, estos sensores de nanotubos de carbono han demostrado una mayor sensibilidad y un menor consumo eléctrico que los mejores detectores estándar. Combinado con tecnología microelectromecánica (MEMS), se pueden fabricar a bajo coste sensores compactos a escala de obleas. Esta nanotecnología puede extender sus aplicaciones en áreas civiles tales como en detección de explosivos, para insignias de detección para el personal de una instalación (similares a los dosímetros de radiación), para sensores de hermeticidad, etc. Adicionalmente, ayudados de la tecnología inalámbrica, estos chips sensores se pueden usar en zonas de guerra, bases militares, etc.           

Dibujo esquemático de un nanotubo de carbono. Cada vértice de los hexágonos representa un átomo de carbono.

Imagen SEM de nanotubos de carbono de gran tamaño.

Es posible que en nuestro día a día macroscópico nunca nos hayamos interesado por estos pequeños dispositivos, que sin embargo, son de vital importancia para muchas técnicas de detección con las que caracterizar lo que nos rodea.  Los NEMS o sistemas nanoelectromecánicos, están haciendo posible la detección a un nivel impensable hace unos años. Pero… ¿qué son los NEMS?

Para poder introducir el concepto de NEM debemos aumentar un poco la escala de tamaño y comenzar hablando de los MEMS, los precursores de estos. Los MEMS o sistemas microelectromecánicos, son aquellos dispositivos que aúnan la ciencia de los semiconductores con la ingeniería mecánica creando lo que se conoce como dispositivos electromecánicos, pero a muy pequeña escala. 

La tecnología de los dispositivos electromecánicos se conoce desde hace ya tiempo, el primer ‘ingenio’ de este tipo fue creado en 1875 por Charles Agustine de Coulomb, para medir la carga eléctrica, no en vano sus unidades llevan su nombre.  

Todos los dispositivos electromecánicos constan de dos componentes principales, independientemente de su tamaño, un elemento mecánico y un transductor.

El elemento mecánico reacciona como respuesta a una fuerza aplicada, estacionaria o que varía con el tiempo (que es la que se quiere detectar), la reacción suele ser un movimiento de dicho elemento.  Un ejemplo de elemento mecánico es el cantilever de un microscopio. 

Cantilever. Fuente: http://www.cenat.ac.cr

Las fuerzas aplicadas, son las señales que se desean medir y pueden abarcar desde cambios de presión, hasta la presencia de absorbatos químicos, pasando por  variaciones de temperatura que hagan variar la elasticidad o la tensión interna causando una variación en la frecuencia de vibración.

El transductor convierte la energía mecánica en energía eléctrica o en señales ópticas y viceversa.  Pueden ser de muy distintos tipos, pero todos están basados en los mecanismos físicos relacionados con los materiales piezoeléctricos o magnetocinéticos, con el nanomagnetismo y el efecto túnel, así como con la electrostática y la óptica.

Transductor piezoeléctrico. Fuente: www.fisa.com 

Los NEMS son capaces de integrar todo lo visto anteriormente en tamaños muy pequeños, secciones de 10nm y masas de unos pocos de átomos-gramo,  lo que permitirá la detección de pequeñísimos desplazamientos y de fuerzas extremadamente débiles, como por ejemplo fuerzas moleculares. 

Algunas de las ventajas que presentan los NEMS debido a su pequeño tamaño y masa son:

- Aumento de la frecuencia natural de vibración angular directamente proporcional a la disminución de longitud, lo que proporciona una alta frecuencia de respuesta, es decir, respuestas rápidas a las variaciones.

- Disipan muy poca energía por lo que son muy sensibles a los mecanismos externos de damping (amortiguamiento), muy importante en los sensores.

- Disminución del ruido termomecánico y de las fluctuaciones mecánicas aleatorias, lo que incrementa la sensibilidad de estos dispositivos a las fuerzas externas que se quieren medir.

- La pequeña masa efectiva del elemento mecánico extremadamente sensible a masas adicionales, con lo que aumenta su sensibilidad. Kamil Ekinci integrante de Caltech ha propuesto como sensor más sensible aquel que estaría compuesto sólo por unos cuantos átomos adsorbidos sobre la superficie de un soporte.

- Son además dispositivos de una gran selectividad, debido a su pequeño tamaño.

- La potencia consumida es del orden de microwatios, unos tres o cuatro órdenes de magnitud inferior a los dispositivos electrónicos convencionales.

- Pueden fabricarse de silicio, arseniuro de galio y arseniuro de indio o de otros materiales compatibles, esto implica que el resto de dispositivos auxiliares pueden integrarse en el mismo chip, creando circuitos complejos, lo que disminuye la problemática de coordinar distintos elementos no compatibles en escalas nanométricas.