Investigadores desarrollan sensores que funcionan a altas temperaturas y en entornos extremos
Sensores sensibles, fiables y duraderos creados para múltiples industrias
Los entornos extremos de varias industrias críticas (aeroespacial, energética, transporte y defensa) requieren sensores que midan y controlen numerosos factores en condiciones duras para garantizar la seguridad humana y la integridad de los sistemas mecánicos.
Un investigador de la Universidad de Houston sostiene un sensor piezoeléctrico de nuevo desarrollo que ha demostrado funcionar a temperaturas extremadamente altas.
University of Houston
En la industria petroquímica, por ejemplo, las presiones de las tuberías deben controlarse en climas que van desde el calor del desierto hasta el frío casi ártico. Varios reactores nucleares funcionan entre 300 y 1.000 grados Celsius, mientras que los pozos geotérmicos profundos soportan temperaturas de hasta 600 grados Celsius.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Houston ha desarrollado un nuevo sensor que ha demostrado funcionar a temperaturas de hasta 900 grados Celsius o 1.650 grados Fahrenheit, que es la temperatura a la que entra en erupción la lava volcánica máfica, el tipo de lava más caliente de la Tierra.
"Para la eficacia, el mantenimiento y la integridad de estas aplicaciones son necesarios sensores muy sensibles, fiables y duraderos que puedan tolerar entornos tan extremos", afirma Jae-Hyun Ryou, profesor asociado de Ingeniería Mecánica de la UH y autor correspondiente de un estudio publicado en la revista Advanced Functional Materials.
El artículo, que aparece en la portada de la revista, se titula "Sensores piezoeléctricos que funcionan a temperaturas muy altas y en entornos extremos fabricados con láminas delgadas de AlN monocristalino flexible de banda ultraancha".
Cómo hacerlo funcionar
El equipo de investigación de la UH había desarrollado anteriormente un sensor piezoeléctrico de presión III-N que utilizaba láminas delgadas de nitruro de galio monocristalino o GaN para aplicaciones en entornos difíciles. Sin embargo, la sensibilidad del sensor disminuye a temperaturas superiores a 350 grados Celsius, superiores a las de los transductores convencionales fabricados con titanato de circonato de plomo (PZT), pero sólo marginalmente.
El equipo creía que la disminución de la sensibilidad se debía a que la banda prohibida -la energía mínima necesaria para excitar un electrón y proporcionar conductividad eléctrica- no era lo bastante ancha. Para probar la hipótesis, desarrollaron un sensor con nitruro de aluminio o AlN.
"La hipótesis quedó demostrada cuando el sensor funcionó a unos 1.000 grados centígrados, que es la temperatura de funcionamiento más alta entre los sensores piezoeléctricos", explica Nam-In Kim, primer autor del artículo y estudiante de posdoctorado que trabaja con el grupo de Ryou.
Aunque tanto el AlN como el GaN tienen propiedades únicas y excelentes que son adecuadas para su uso en sensores para entornos extremos, a los investigadores les entusiasmó descubrir que el AlN ofrecía un bandgap más amplio y un rango de temperaturas aún mayor. Sin embargo, el equipo tuvo que enfrentarse a retos técnicos relacionados con la síntesis y fabricación de la fina película de AlN, flexible y de alta calidad.
"Siempre me ha interesado fabricar dispositivos con distintos materiales y me encanta caracterizarlos. Trabajando en el grupo de Ryou, especialmente en dispositivos piezoeléctricos y materiales III-N, he podido utilizar los conocimientos que aprendí en mis estudios", dijo Kim, que se doctoró en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la UH en 2022. Su premiada disertación versó sobre sensores piezoeléctricos flexibles para el cuidado de la salud personal y entornos extremos.
"Fue muy interesante ver el proceso que conduce a los resultados reales y resolvimos los desafíos técnicos durante el desarrollo y la demostración del sensor", agregó.
¿Y ahora qué?
Ahora que los investigadores han demostrado con éxito el potencial de los sensores piezoeléctricos de alta temperatura con AlN, lo seguirán probando en condiciones duras del mundo real.
"Nuestro plan es utilizar el sensor en varios escenarios difíciles. Por ejemplo, en centrales nucleares para la exposición a neutrones y en almacenamiento de hidrógeno para pruebas a alta presión", explica Ryou. "Los sensores de AlN pueden funcionar en atmósferas expuestas a neutrones y a rangos de presión muy elevados gracias a las propiedades estables de su material".
La flexibilidad del sensor ofrece ventajas adicionales que lo harán útil para futuras aplicaciones en forma de sensores portátiles en productos de control de la salud personal y para su uso en robótica blanda de detección precisa.
Los investigadores esperan que su sensor sea comercialmente viable en el futuro. "Es difícil fijar una fecha concreta, pero creo que nuestro trabajo como ingenieros es conseguirlo lo antes posible", afirma Kim.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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