Un nuevo avance podría permitir cámaras multiespectrales ligeras y económicas para usos como la cirugía del cáncer, la inspección de la inocuidad alimentaria y la agricultura de precisión.
Investigadores han demostrado fotodetectores capaces de abarcar una gama sin precedentes de frecuencias de luz. Lograron este resultado utilizando materiales electromagnéticos diseñados a medida para crear filtros espectrales en el chip.
Una cámara típica solo capta luz visible, que representa una pequeña fracción del espectro disponible. Otras cámaras pueden especializarse, por ejemplo, en longitudes de onda infrarrojas o ultravioletas, pero pocas pueden captar luz de distintos puntos del espectro. Y las que pueden hacerlo presentan numerosos inconvenientes, como una fabricación compleja y poco fiable, velocidades de funcionamiento lentas, un tamaño voluminoso que dificulta su transporte y costos de hasta cientos de miles de dólares.
Según informan hoy en la revista Nature Materials, investigadores de la Universidad Duke presentan un nuevo tipo de fotodetector de amplio espectro que puede integrarse en un solo chip, lo que le permite captar una imagen multiespectral en unas pocas billonésimas de segundo y costar apenas unas decenas de dólares.
La tecnología se basa en una rama de la física llamada plasmónica: el uso de fenómenos físicos a escala nanométrica para atrapar determinadas frecuencias de luz.
«No era nada obvio que pudiéramos hacer esto», afirma Maiken Mikkelsen, profesora asociada de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Duke. «En realidad, es bastante asombroso que nuestros fotodetectores no solo funcionen en los experimentos preliminares, sino que también estemos observando fenómenos físicos nuevos e inesperados que nos permitirán acelerar la detección en varios órdenes de magnitud».
Pequeños cubos de plata
Mikkelsen, el estudiante de posgrado Jon Stewart y su equipo fabricaron cubos de plata de apenas cien nanómetros de ancho y los colocaron sobre una película transparente, a solo unos nanómetros de una fina capa de oro. Cuando la luz incide en la superficie de un nanocubo, excita los electrones de la plata y atrapa la energía de la luz, pero solo a una frecuencia específica.
El tamaño de los nanocubos de plata y su distancia de la capa base de oro determinan esa frecuencia, mientras que la cantidad de luz absorbida puede ajustarse controlando el espacio entre las nanopartículas. Al adaptar con precisión estos tamaños y espacios, los investigadores pueden hacer que el sistema responda a cualquier frecuencia electromagnética que deseen.
Para aprovechar este fenómeno físico fundamental en una cámara multiespectral comercial, los investigadores tendrían que organizar una cuadrícula de detectores individuales diminutos, cada uno sintonizado a una frecuencia de luz distinta, en un «superpíxel» más grande.
Como paso hacia ese objetivo, el equipo presenta cuatro fotodetectores individuales adaptados a longitudes de onda de entre 750 y 1900 nanómetros. Las metasuperficies plasmónicas absorben la energía de la luz entrante y se calientan, creando un voltaje eléctrico en una capa de material piroeléctrico llamada nitruro de aluminio, situada justo debajo. Ese voltaje es leído luego por una capa inferior de contacto semiconductor de silicio, que transmite la señal a una computadora para su análisis.
Fotodetectores más baratos y rápidos
Según Mikkelsen, ya se han fabricado fotodetectores comerciales con estos tipos de materiales piroeléctricos, pero siempre han tenido dos grandes inconvenientes. No han podido enfocarse en frecuencias electromagnéticas específicas, y las gruesas capas de nitruro de aluminio necesarias para generar una señal eléctrica suficiente han hecho que funcionen a velocidades muy bajas.
«Pero nuestros detectores plasmónicos pueden sintonizarse a cualquier frecuencia y atrapar tanta energía que generan bastante calor», afirma Stewart. «Esa eficiencia significa que solo necesitamos una capa fina de nitruro de aluminio, lo que acelera mucho el proceso».
El estándar actual para los tiempos de detección en cámaras que utilizan materiales piroeléctricos es de unos 53 microsegundos. El enfoque plasmónico de Mikkelsen generó una señal en apenas unos nanosegundos, aproximadamente 2.000 veces más rápido. Sin embargo, como el equipo experimental limitó esos tiempos de detección, los nuevos fotodetectores podrían funcionar aún más rápido.
¿Qué podrían hacer las cámaras multiespectrales?
Mikkelsen ve varios usos potenciales para las cámaras comerciales basadas en esta tecnología, porque el proceso necesario para fabricar estos fotodetectores es relativamente rápido, económico y escalable.
Los cirujanos podrían usar imágenes multiespectrales para distinguir entre tejido canceroso y sano durante una operación. Los inspectores de la inocuidad de los alimentos y del agua podrían utilizarlas para detectar cuándo bacterias peligrosas han contaminado una pechuga de pollo.
Con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore, Mikkelsen se ha fijado la agricultura de precisión como primer objetivo. Aunque a simple vista las plantas quizá solo parezcan verdes o marrones, la luz fuera del espectro visible que reflejan sus hojas y flores contiene una gran cantidad de información valiosa.
«Obtener una “huella espectral” permite identificar con precisión un material y su composición», afirma Mikkelsen. «No solo puede indicar el tipo de planta, sino también determinar su estado: si necesita agua, está bajo estrés o tiene un bajo contenido de nitrógeno, lo que indica que necesita fertilizante. Es verdaderamente asombroso cuánto podemos aprender sobre las plantas con solo estudiar una imagen espectral de ellas».
Las imágenes multiespectrales podrían hacer posible la agricultura de precisión al permitir que fertilizantes, pesticidas, herbicidas y agua se apliquen solo donde se necesitan, ahorrando agua y dinero y reduciendo la contaminación.
Imaginemos una cámara multiespectral montada en un dron que cartografía el estado de un campo y transmite esa información a un tractor diseñado para aplicar fertilizantes o pesticidas en dosis variables por todo el terreno.
Se estima que el proceso que se utiliza actualmente para producir fertilizantes representa hasta el 2 % del consumo energético mundial y hasta el 3 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, los investigadores calculan que entre el 50 y el 60 % del fertilizante producido se desperdicia. Si solo se tiene en cuenta el fertilizante, la agricultura de precisión ofrece un enorme potencial de ahorro energético y reducción de gases de efecto invernadero, además de un ahorro directo estimado de 8.500 millones de dólares al año, según el Departamento de Agricultura de Estados Unidos.
Varias empresas ya están llevando adelante este tipo de proyectos. Por ejemplo, IBM está poniendo a prueba un proyecto en India que utiliza imágenes satelitales para evaluar los cultivos de esta manera. Sin embargo, este enfoque es muy costoso y limitado, por lo que Mikkelsen imagina un detector portátil económico que pueda obtener imágenes de los campos de cultivo desde el suelo o desde drones baratos.
«Imaginemos el impacto no solo en Estados Unidos, sino también en los países de ingresos bajos y medios, donde a menudo escasean los fertilizantes, los pesticidas y el agua», afirma Mikkelsen. «Al saber dónde aplicar esos recursos escasos, podríamos aumentar significativamente el rendimiento de los cultivos y ayudar a reducir el hambre».
El trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y del Programa de Becas de Posgrado en Ciencia e Ingeniería de Defensa Nacional.
