¿Qué son Nanosensores? ¿Cómo y Dónde son Usados?

Imagine tener que medir la temperatura de células vivas individuales. Como la célula tiene alrededor de 0,010 mm (0,00004") de tamaño, los alambres del termopar (si este es el método elegido) tendrían que tener menos de un micrón de diámetro. Este es el campo de los nanosensores.

Esta Guía de Referencia de OMEGA Engineering define nanotecnología y analiza cómo ella está posibilitando nuevos tipos de sensores. Ella aborda las nuevas aplicaciones de medición que estos sensores están posibilitando y destaca las ventajas de usar sensores compactos. Un énfasis especial se pone en la medición de temperatura con termopares compactos. Aunque pocos ingenieros necesiten trabajar en la escala nano, lo que se enseña es aplicable a muchos campos.

Las secciones individuales abordan:

• Nanotecnología y nanosensores
• Apoyo federal a investigación
• Ejemplos de aplicaciones de nanodetección
• Ventajas de sensores compactos
• Medición de temperatura en pequeña escala

"Nano" se refiere a objetos medidos en nanómetros, o milmillonésimos de metro. Para poner esto en perspectiva, una hoja de papel tiene alrededor de 100.000 nanómetros de espesor y un cabello rubio mide alrededor de 30.000 nanómetros. En esta escala, el área de superficie tiene un efecto mayor en el comportamiento del material que en objetos mayores. El resultado es que propiedades como conductividad, reflectividad y magnetismo cambian cuando se las compara con cuerpos grandes.

Se considera que el aprovechamiento de estas propiedades bastante especiales tiene un gran potencial para mejorar la asistencia médica y desarrollar materiales nuevos y de alto desempeño. Para catalizar el trabajo se han creado programas que financian el trabajo en investigación sobre nanotecnología.

Una de las metas de este esfuerzo es el desarrollo de nanosensores. Esto no se refiere al tamaño del sensor (aunque algunos pueden tener escala nano), sino a que el sensor puede operar en la escala nano. Un ejemplo es la detección de contaminantes de tamaño nano transportados por el aire.

La expectativa es que estos sensores proporcionarán, "... nuevas soluciones de detección en física, química y biología que permitirán mayor sensibilidad de detección, especificidad y capacidad multiplicadora en dispositivos portátiles para una amplia variedad de áreas en salud, seguridad y medio ambiente. Los nuevos nanosensores de alto desempeño ya demostraron rápida respuesta y mayor sensibilidad con un tamaño reducido.”

Nanosensores tienen aplicaciones en defensa, en el área médica y de salud y en productos para el consumidor. Aquí están algunos ejemplos:

Detección de productos químicos transportados por el aire: Estos sensores utilizan el cambio en la conductividad eléctrica que ocurre cuando moléculas se conectan a nanoalambres hechos de materiales semiconductores como óxido de zinc. Una aplicación es la detección de niveles excesivos de monóxido de carbono.

Detección de bacterias y virus: Estos también usan cambios en la conductividad eléctrica, en este caso, la de los nanotubos de carbono a los que está conectado un anticuerpo. Cuando una bacteria o virus de combinación se conecta al anticuerpo, un cambio de la conductividad puede ser medido.

Medición de la temperatura de células vivas: Investigadores de las Universidades de Berkeley (California) y Princeton desarrollaron "nanotermómetros" que podrían ser insertados en células individuales. En vez de usar alambres de termopar convencionales, su técnica emplea cristales semiconductores que cambian de color según cambia la temperatura. En una escala más amplia, cientistas regularmente usan termopares de calibre reducido para medir temperaturas en tejidos ex vivo, como cuando investigan los efectos de calentamiento del ultrasonido.

Medición de temperatura de nanofluidos: Gestión de calor es un asunto en ascensión, especialmente en el área de electrónica, e investigaciones se están haciendo para desarrollar nanofluidos con características superiores de conductividad térmica. En este caso, sensores son necesarios para medirse estos efectos "nano".

La reducción del tamaño del sensor tiene muchas ventajas:

Para ilustrar estos puntos, considere las ventajas del uso de termopares de calibre reducido sin vaina para medición de temperatura.

Hay una correlación entre tiempo de respuesta y calibre del alambre. Por ejemplo, datos de OMEGA muestran que un termopar con un alambre de 0,75 mm (0,03") de diámetro necesita 40 segundos para responder a un determinado cambio en la temperatura del aire, mientras que uno con un alambre de 0,025 mm (0,0010") necesita solamente 0,05 segundos.

De esta forma, el uso de alambres de calibre reducido sin vaina causa una gran mejora de la resolución basada en tiempo. Esto permite respuestas de control más rápidas, posiblemente mejorando la calidad en procesos críticos con relación a la temperatura, y produce una densidad de datos mayor que es útil cuando se intenta percibir efectos transitorios.

Intentar medir un fenómeno pequeño con una herramienta relativamente grande ocasiona una mala relación señal-ruido [imagine la medición del diámetro de un alambre fino con una regla de 30,5 cm (12")]. Ajustar la escala del sensor a las características de lo que se está midiendo mejora la calidad de los datos.

La calidad de los datos también es mejorada a través de un posicionamiento más preciso del sensor. En el caso de un termopar, uno que sea hecho con alambre de calibre reducido puede en general ser puesto más cerca de la fuente de calor o del lugar deseado.

Encoger el tamaño del sensor de medición (en este caso, un termopar) significa que más de ellos pueden ser usados en una determinada área. Esto aumenta la densidad espacial de datos adquiridos, permitiendo un seguimiento más preciso de efectos como flujo de calor.

En muchas situaciones, especialmente cuando cantidades muy pequeñas se están midiendo o se hacen mediciones precisas, la influencia del sensor en el fenómeno se vuelve un problema. Un acelerómetro agrega masa a un sistema de movimiento, potencialmente modificando los resultados, y un termopar puede hacer lo mismo al retirar calor de un lugar de medición. Lo mismo se aplica cuando se mide la temperatura de un fluido en movimiento; un termopar mayor crea una mayor perturbación en el flujo. Todos estos ejemplos ilustran las ventajas de minimizar el tamaño y la masa del sensor.

Nanotecnología es un campo de investigación muy activo, y tiene implicaciones específicas para la tecnología de sensores. Nanomateriales, tanto sólidos como fluidos, están permitiendo el desarrollo de nuevos productos, incluso sensores compactos que pueden ser incorporados a una amplia variedad de dispositivos. Sin embargo, esto también hace que sea necesario que se tenga capacidad de detección a una escala nano, como cuando se miden cambios de temperatura.

Dispositivos de medición compactos, como termopares de calibre reducido sin vaina, ofrecen la capacidad de mejorar tanto la densidad como la calidad de los datos recolectados. Encoger el termopar proporciona respuesta más rápida, reduce el impacto en el fenómeno que se está estudiando y permite que más de estos dispositivos sean incorporados en una determinada área. Con financiación de los gobierno que apoyan el trabajo con nanotecnología, el crecimiento continuo de las aplicaciones de medición en escala nano está garantizado.