Este nanotubo tiene nariz para el oxígeno
Un sensor de alto rendimiento activado por luz puede detectar con precisión el oxígeno en mezclas de gases complejas
Investigadores de la ETH han desarrollado un sensor de bajo coste hecho de Nanotubos de carbono que puede medir de forma selectiva, eficiente y fiable cantidades ínfimas de oxígeno en mezclas gaseosas bajo la luz. El detector podría utilizarse ampliamente en la industria, la medicina y la vigilancia medioambiental.
El oxígeno es esencial para la vida y reacciona en muchos procesos químicos. Por ello, los métodos que miden con precisión el oxígeno son relevantes para numerosas aplicaciones industriales y médicas: Analizan los gases de escape de los procesos de combustión, permiten procesar alimentos y medicamentos sin oxígeno, controlan el contenido de oxígeno del aire que respiramos o la saturación de oxígeno en la sangre.
El análisis del oxígeno también desempeña un papel cada vez más importante en la vigilancia del medio ambiente. "Sin embargo, estas mediciones suelen requerir aparatos voluminosos, caros y que consumen mucha energía, poco adecuados para aplicaciones móviles o para su uso continuo en exteriores", afirma Máté Bezdek, catedrático de Química de Coordinación Funcional de la ETH de Zúrich. Su grupo utiliza métodos de diseño molecular para encontrar nuevos sensores de gases ambientales.
En el caso del oxígeno, el grupo de Bezdek lo ha conseguido: En un estudio publicado en la revista Advanced Science, los investigadores han presentado un sensor de alto rendimiento activado por luz que puede detectar con precisión el oxígeno en mezclas de gases complejas y que, además, tiene las propiedades pertinentes para su uso sobre el terreno.
Un todoterreno sin concesiones
Lionel Wettstein, estudiante de doctorado del grupo de Bezdek y primer autor del estudio, explica: "Los métodos de medición convencionales suelen comprometer una alta sensibilidad a expensas de otros criterios". Por ejemplo, hay sensores que reaccionan muy sensiblemente al oxígeno, pero consumen mucha energía y se ven perturbados por factores ambientales como la humedad. Otros toleran gases interferentes, pero son menos sensibles y se consumen rápidamente. "Los dispositivos estacionarios, las muestras complejas y los costes elevados también limitan las posibles aplicaciones", afirma Wettstein.
El nuevo sensor, en cambio, es un práctico todoterreno: es muy sensible, puede detectar moléculas de oxígeno entre un millón de partículas de gas y lo hace de forma fiable incluso a concentraciones elevadas. También es selectivo, es decir, tolera la humedad y otros gases interferentes, y tiene una larga vida útil. Por último, es diminuto, barato, fácil de usar y consume muy poca energía.
Esto hace que el sensor miniaturizado sea interesante para dispositivos portátiles y mediciones móviles en tiempo real sobre el terreno; por ejemplo, para analizar los gases de escape de los automóviles o la detección precoz de alimentos en mal estado. El detector también es adecuado para la vigilancia continua de lagos, ríos y suelos mediante redes de sensores distribuidas. "El contenido de oxígeno en estos ecosistemas es un indicador importante de la salud ecológica", afirma Wettstein.
Detección de moléculas con nanotubos
Para conseguir las propiedades deseadas, el grupo de Bezdek diseñó específicamente el sensor a partir de componentes moleculares. Pertenece a la clase de los quimiresistores: se trata de diminutos circuitos eléctricos con un material sensor activo que interactúa directamente con la molécula que se quiere analizar, modificando así su resistencia eléctrica. "La gran ventaja es que esta señal puede medirse muy fácilmente", afirma Bezdek.
Los investigadores eligieron un compuesto de dióxido de titanio y nanotubos de carbono como base del material del sensor. El dióxido de titanio puede utilizarse como resistencia química, pero tiene el inconveniente de que normalmente sólo funciona a temperaturas muy altas. "Por eso hemos incorporado nanotubos de carbono al material compuesto", prosigue Bezdek.
Los nanotubos forman la plataforma de ahorro de energía: garantizan que la reacción del sensor se produzca a temperatura ambiente y no requiera calentamiento. Por último, para garantizar que el material del sensor pueda distinguir con fiabilidad del oxígeno otros gases, el equipo se inspiró en las células solares sensibilizadas por colorantes, en las que unas moléculas especiales de colorante llamadas fotosensibilizadores recogen la energía de la luz y la convierten en corriente eléctrica.
Los investigadores han trasladado este principio funcional a su sensor: en presencia de luz verde, el fotosensibilizador transfiere electrones al material compuesto de dióxido de titanio y nanotubos. Esto activa el material, haciéndolo específicamente sensible al oxígeno. "A diferencia de otros gases, el oxígeno dificulta esta transferencia de carga en el sensor activado, lo que modifica su resistencia", explica Wettstein, resumiendo la base de la reacción del sensor.
Del laboratorio a la aplicación práctica
Los investigadores ya han presentado una solicitud de patente para el sensor y ahora buscan socios industriales para seguir desarrollando la tecnología. Se calcula que los sensores duraderos y fiables que miden específicamente el oxígeno en mezclas gaseosas tienen un volumen de mercado anual de aproximadamente 1.400 millones de dólares.
El equipo trabaja actualmente en la ampliación de su concepto de sensor más allá del oxígeno para incluir otros gases ambientales que desempeñan un importante papel ecológico. "Nuestro material sensor tiene una estructura modular y queremos estudiar cómo modificar su composición química para detectar otras moléculas", explica Bezdek.
Uno de los temas actuales de su grupo es la detección de contaminantes basados en el nitrógeno, que provocan un exceso de fertilización en la agricultura y contaminan el suelo y el agua. "Para reducir la huella ecológica del sector agrícola, necesitamos sensores que permitan una fertilización precisa de los campos", afirma Bezdek.
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