Químicos del MIT han ideado una nueva forma de detectar gases peligrosos y contaminantes ambientales de manera inalámbrica, mediante un sencillo sensor que puede leerse con un smartphone.
Estos sensores económicos podrían desplegarse ampliamente, lo que facilitaría vigilar espacios públicos o detectar el deterioro de alimentos en almacenes. Con este sistema, los investigadores han demostrado que pueden detectar amoníaco gaseoso, peróxido de hidrógeno y ciclohexanona, entre otros gases.
«Lo extraordinario de estos sensores es que son realmente baratos. Los colocas, se quedan allí y luego vuelves a leerlos. No requieren cableado ni energía», afirma Timothy Swager, profesor John D. MacArthur de Química en el MIT. «Puedes imaginar muchas aplicaciones para una tecnología como esta».
Swager es el autor principal de un artículo que describe los nuevos sensores, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences durante la semana del 8 de diciembre. El estudiante de posgrado de Química Joseph Azzarelli es el primer autor del artículo; los otros autores son la investigadora posdoctoral Katherine Mirica y Jens Ravnsbaek, antiguo investigador posdoctoral del MIT.
Detección versátil de gases
Desde hace varios años, el laboratorio de Swager desarrolla sensores de detección de gases basados en dispositivos conocidos como quimiorresistores, que constan de circuitos eléctricos sencillos modificados para que su resistencia cambie al exponerse a una sustancia química específica. Medir ese cambio de resistencia permite saber si está presente el gas objetivo.
A diferencia de los quimiorresistores disponibles comercialmente, los sensores desarrollados en el laboratorio de Swager casi no requieren energía y pueden funcionar a temperatura ambiente. «Esto nos permitiría colocar sensores en muchos entornos y dispositivos distintos», afirma Swager.
Los nuevos sensores están fabricados a partir de etiquetas de comunicación de campo cercano (NFC) modificadas. Estas etiquetas, que reciben del dispositivo lector la poca energía que necesitan, funcionan como códigos de barras direccionables de forma inalámbrica y se utilizan principalmente para rastrear productos, como automóviles o productos farmacéuticos, a medida que avanzan por una cadena de suministro, por ejemplo, en una planta de fabricación o un almacén.
Cualquier smartphone con capacidad de comunicación de campo cercano puede leer las etiquetas NFC; esta función está incluida en muchos modelos recientes. Estos teléfonos pueden emitir breves pulsos de campos magnéticos de radiofrecuencia (13,56 megahercios), que inducen una corriente eléctrica en el circuito de la etiqueta, la cual transmite información al teléfono.
Para adaptar estas etiquetas a sus propios fines, el equipo del MIT interrumpió primero el circuito electrónico perforándolo. Después, volvió a conectar el circuito con un elemento de enlace hecho de nanotubos de carbono especializados para detectar un gas determinado. En este caso, los investigadores añadieron los nanotubos de carbono «dibujándolos» sobre la etiqueta con un portaminas mecánico que crearon por primera vez en 2012, en el que la mina habitual se sustituye por polvo de nanotubos de carbono comprimido. El equipo denomina CARD a las etiquetas modificadas: dispositivos resonantes activados químicamente.
Cuando los nanotubos de carbono se unen al gas objetivo, cambia su capacidad para conducir electricidad, lo que modifica las frecuencias de radio a las que se puede transferir energía al dispositivo. Cuando un smartphone envía una señal a la CARD, esta solo responde si puede recibir suficiente energía en las frecuencias de radio transmitidas por el smartphone, lo que permite al teléfono determinar si el circuito se ha alterado y si el gas está presente.
Las versiones actuales de las CARD solo pueden detectar un tipo de gas cada una, pero un teléfono puede leer varias CARD para obtener información sobre muchos gases distintos, hasta concentraciones de partes por millón. Con la versión actual de la tecnología, el teléfono debe estar a menos de 5 centímetros de la CARD para obtener una lectura, pero Azzarelli trabaja actualmente con tecnología Bluetooth para ampliar el alcance.
Vea el nuevo sensor en acción, transmitiendo datos sobre sustancias químicas a un smartphone de forma inalámbrica.
Vídeo: Melanie Gonick/MIT
Despliegue generalizado
Los investigadores han solicitado una patente para la tecnología de detección y ahora estudian posibles aplicaciones. Como estos dispositivos son muy económicos y se pueden leer con smartphones, podrían desplegarse prácticamente en cualquier lugar: en interiores, para detectar explosivos y otros gases nocivos, o al aire libre, para vigilar contaminantes ambientales.
Cuando un teléfono recopila datos, la información podría cargarse en redes inalámbricas y combinarse con datos de sensores de otros teléfonos, lo que permitiría cubrir zonas muy extensas, afirma Swager.
Los investigadores también exploran la posibilidad de integrar las CARD en «envases inteligentes», que permitirían detectar un posible deterioro de los alimentos o la contaminación de productos. El laboratorio de Swager ha desarrollado anteriormente sensores capaces de detectar etileno, un gas que indica la maduración de la fruta.
«Evitar el desperdicio de alimentos es actualmente un tema muy candente; sin embargo, para ello se necesitan sensores químicos económicos, fáciles de usar y fiables, por ejemplo, para metabolitos como el amoníaco, que podrían indicar la calidad de los alimentos crudos o el estado de las comidas preparadas», afirma Wolfgang Knoll, director general del Instituto Austríaco de Tecnología, quien no formó parte del equipo de investigación. «El concepto presentado en este artículo podría ofrecer una solución a una necesidad persistente en el control de la calidad de los alimentos».
Las CARD también podrían incorporarse a dosímetros para ayudar a vigilar la seguridad de los trabajadores en plantas de fabricación, midiendo la cantidad de gas a la que están expuestos. «Como es de bajo costo, desechable y se puede conectar fácilmente a un teléfono, creemos que podría ser un dispositivo que alguien llevara como insignia y que pudiera consultar al fichar por la mañana y volver a consultar al salir por la noche», afirma Azzarelli.
La investigación fue financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos y la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT; el Centro Deshpande para la Innovación Tecnológica del MIT; y el Instituto Nacional del Cáncer.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Anne Trafton es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: Se muestra una selección de teléfonos móviles en alto. REUTERS