La nariz humana puede distinguir entre un billón de combinaciones diferentes de olores. Aún así, hay muchos gases que nuestra nariz no puede detectar al nivel de sensibilidad que necesitamos. Ahí es donde entran los sensores gaseosos. Si bien algunos de los primeros sensores eran animales, como canarios en las minas de carbón, desde entonces los hemos reemplazado con tecnologías que pueden detectar cantidades minúsculas de sustancias químicas en el aire.

Como nuestras propias narices, Los sensores de gases son esenciales para la seguridad y la comodidad. En fábricas, Los sensores gaseosos pueden alertar a los administradores sobre fugas o procesos químicos que se ejecutan incorrectamente. Fuera de, miden contaminantes, ayudar a las ciudades a controlar la calidad del aire. En los hogares, mantienen a los miembros de la familia a salvo. Los administradores de edificios utilizan mediciones de sensores de humedad y temperatura para maximizar la eficiencia energética.

Estos sensores no existirían sin una comprensión fundamental de la química y la física. Este conocimiento básico ayuda a los científicos a comprender cómo y por qué los materiales sensibles interactúan con los productos químicos gaseosos. Muchos materiales de vanguardia prometen su uso en sensores, si tan solo los científicos pudieran aprender a producirlos y controlarlos mejor.

"Los sensores son donde la investigación de materiales se encuentra con la detección ambiental, "dijo Pete Beckman, investigador del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía (ANL).

Para sentar las bases de la innovación, la Oficina de Ciencias del DOE financia proyectos e instalaciones para usuarios que apoyan la investigación de sensores.

Creando los materiales para la detección

Como narices los sensores se basan en una combinación de componentes para detectar y dar sentido a los gases o productos químicos en el aire. Inhumanos, las moléculas flotan en tu nariz y se unen a neuronas especiales. Las neuronas luego transmiten el mensaje al cerebro. En sensores, el material dentro del sensor actúa como una neurona. Cuando ese material interactúa con una sustancia química en el aire, puede emitir luz, cambiar su capacidad para conducir electricidad, o cambiar de forma. Los materiales y la electrónica alrededor del material de detección comunican ese mensaje al "cerebro, "ya sea que ese cerebro sea una computadora o una señal de advertencia como una sirena.

Desarrollar el sistema nervioso y el cerebro de los sensores es un trabajo de la ciencia aplicada. La investigación fundamental como el trabajo en los laboratorios de la Oficina de Ciencias sienta las bases para esa ciencia aplicada. En particular, esta investigación está ampliando la comprensión de los científicos sobre los materiales mismos y cómo producirlos.

Tres tipos de materiales de vanguardia ofrecen un enorme potencial para su uso en sensores:nanopartículas, materiales bidimensionales (2-D), y estructuras metalorgánicas (MOF). Las nanopartículas son partículas minúsculas que son más grandes que los átomos, pero actúan fundamentalmente de manera diferente a las partículas más grandes de la misma sustancia. Materiales 2-D, como el grafeno, Forman hojas de un solo átomo de espesor. Los MOF son compuestos hechos de iones metálicos unidos entre sí por conectores a base de carbono.

Todos estos materiales tienen áreas de superficie descomunales en comparación con sus tamaños generales. Debido a que muchas moléculas de gas pueden interactuar con sus superficies, pueden ser sensibles a pequeñas cantidades de sustancias químicas. Además, los científicos pueden fabricar todos estos materiales en una variedad de estructuras. Esa personalización podría permitir a los investigadores crear materiales especiales para detectar una sustancia química en particular.

Nanopartículas de sulfuro de zinc

La clave para construir un sensor mejor puede estar en hacer su material sensorial a partir de nanopartículas. Desafortunadamente, Es un desafío fabricar algunas de las nanopartículas más prometedoras. Los sensores de hidrógeno y otros gases ya utilizan el material sulfuro de zinc. La producción de sulfuro de zinc en forma de nanopartículas podría hacerla más barata y eficaz. Pero el proceso actual para producir nanopartículas de sulfuro de zinc implica temperaturas muy altas, presiones, y productos químicos tóxicos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE investigaron un proceso de producción de nanopartículas más eficiente. Los investigadores apoyados por la Oficina de Fabricación Avanzada y la Oficina de Ciencias del DOE encontraron que los microbios pueden ofrecer un camino alternativo a seguir.

No basta con cualquier bacteria. Los científicos utilizaron Thermoanaerobacter, una bacteria que normalmente vive en lugares extremadamente calientes sin oxígeno. Después de agregar azúcar barata y productos químicos que incluían zinc y azufre, las bacterias produjeron alrededor de tres cuartos de libra de nanopartículas de sulfuro de zinc. El proceso fue un 90 por ciento más barato que los métodos actuales.

Cultivo de materiales 2-D

Los materiales bidimensionales son una forma especial de nanomaterial que tiene solo unos pocos átomos de espesor. Tienen tanta superficie en comparación con su volumen que proporcionan mucho espacio para que las moléculas de gas interactúen y pueden contener una gran cantidad de ellas. Pero los materiales 2-D actúan de manera tan diferente de sus contrapartes normales de "volumen" que los científicos no tienen una buena idea de cómo crecen. Sin este entendimiento, los fabricantes no pueden producir versiones de alta calidad de manera constante.

Para abordar este problema, Los científicos de ORNL exploraron una mejor manera de cultivar seleniuro de galio (GaSe) material 2-D. A medida que cultivaron el material en un recipiente lleno de gas argón, encontraron que al cambiar la temperatura y el flujo del gas, podían alternar entre depositar y quitar átomos. Pero el simple hecho de descubrir cómo cambiar entre los dos estados no les dijo lo que realmente estaba sucediendo a nivel químico.

"Para visualizar lo que estábamos haciendo en el laboratorio, necesitábamos alta resolución, instalaciones de última generación, así como herramientas de diagnóstico in situ, "dijo Tolga Aytug, un científico ORNL. Para conseguir ese nivel de precisión, el equipo se dirigió al Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en ORNL. Las herramientas allí les ayudaron a ver cómo los procesos que usaron para hacer crecer el material afectaron su estructura y propiedades. Basado en esa información, refinaron sus métodos para obtener las características que querían.

En el futuro, los científicos pueden combinar varios materiales 2-D en delgados, Sensores versátiles. "La belleza de los materiales 2-D es que puedes apilar las diferentes capas para hacer material artificial, "dijo Kai Xiao, un científico ORNL. Estos materiales artificiales podrían detectar una variedad de productos químicos diferentes en lugar de uno solo.

Estructuras de metal orgánico

Los iones metálicos y los conectores a base de carbono de los MOF se abren, estructuras en forma de jaula. Un MOF de solo unas pocas pulgadas de ancho tiene una increíble superficie de 2.5 acres. Eso proporciona mucho espacio para que las moléculas interactúen.

Como resultado, Los MOF pueden detectar niveles mínimos de sustancias químicas. Los científicos controlan qué sustancias químicas quieren que detecte un MOF cambiando el tamaño de sus espacios, su forma, o cómo se vinculan sus partes entre sí.

"Para que funcione un sensor basado en MOF, tiene que ser muy selectivo y muy sensible, "dijo Praveen Thallapally, científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE.

Un beneficio específico de los MOF es su capacidad para adaptarse a nuevas moléculas cambiando sus estructuras. Los científicos de PNNL encontraron que un MOF con una base de zinc podría capturar cobalto y cobre. Cuando estos metales salieron de la molécula, el MOF volvió a su estructura original. Esto significa que después de que una sustancia química se adhiere a un MOF y activa un sensor, alguien podría restablecer y reutilizar el sensor sin necesidad de reemplazar el MOF.

Gran parte de la investigación en curso sobre los MOF se centra en cómo descubrirlos y construirlos. Los materiales de partida tradicionales de los MOF son rígidos y difíciles de trabajar. A diferencia de, los polímeros (cadenas de moléculas flexibles) son más fáciles de controlar. Sin embargo, generalmente se agrupan en densos, grupos desorganizados. Para aprovechar las ventajas de cada uno, científicos de la Universidad de California, San Diego encontró una forma de usar polímeros para construir MOF. El uso de ambos permite a los investigadores combinar la consistencia y la gran superficie de los MOF con la facilidad de uso de los polímeros. Los investigadores utilizaron los materiales híbridos para crear películas delgadas, que se utilizan normalmente en sensores.

El próximo avance en la investigación de MOF puede provenir del modelado por computadora. Usar prueba y error para averiguar qué estructura interactuará mejor con un químico específico podría llevar años y ser muy costoso. A diferencia de, Los potentes modelos informáticos que utilizan el aprendizaje automático permiten a los científicos encontrar el material adecuado en unos pocos días.

Los científicos de PNNL que buscaban un MOF que pudiera seleccionar entre xenón y criptón colaboraron con el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. Después de buscar en más de 120, 000 opciones, su modelo de computadora apuntaba a un material a base de calcio que sobresalía en esta tarea.

Conectando la nariz al cuerpo

Un gran material sensorial es esencial, pero no funcionará por sí solo. Así como una nariz necesita un cuerpo y un cerebro, Los materiales de detección deben ser parte de un mecanismo más grande. Desafortunadamente, Conseguir que estos materiales trabajen juntos dentro de un sensor es a menudo un desafío.

Impresión de tinta de nanopartículas

"Tinta" hecha de nanopartículas sensibles impresas en papel, el plastico, caucho, o fabric podría permitir a los ingenieros crear sensores más pequeños y flexibles.

"Hacer partículas es una cosa. Pero a partir de esas partículas, hacer una tinta funcional no es trivial, "dijo el científico de ORNL Pooran Joshi, en un ligero eufemismo.

Un estudio de ORNL abordó la mejor manera de convertir nanopartículas a base de cobre en tinta de alta calidad. Al hacer brillar una luz de alta intensidad durante solo unas millonésimas de segundo, Los científicos fusionaron las nanopartículas sin derretir la superficie debajo. Cuando la tinta de nanopartículas a base de cobre se fusionó, creó una superficie impresa. Luego, los investigadores utilizaron la superficie impresa como un componente en un sensor de temperatura.

Combinando nanotubos y nanocristales

Los científicos saben que los sensores hechos de nanotubos y nanocristales podrían detectar tan solo una parte por millón de un gas, si tan solo pudieran hacer que estos dos materiales trabajen juntos.

Ralu Divan y su equipo en ANL descubrieron una forma de agregar nanocristales de óxido de zinc, que ya se usa en sensores, a los nanotubos de carbono. Los sensores que usan los dos juntos podrían ser mucho más sensibles al metano que la tecnología actual. Al colocar los nanocristales de óxido de zinc átomo por átomo, crearon una delgada, capa consistente en la parte superior de los nanotubos. Con este proceso, las empresas pueden controlar con precisión el espesor y la cobertura del óxido de zinc.

Para examinar los enlaces entre los nanocristales y nanotubos, el equipo se basó en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en ANL. "Tener todo en un solo lugar nos ha ahorrado mucho tiempo y pudimos movernos más rápido de lo que esperábamos, "dijo Divan.

Como resultado, desarrollaron un sensor que podía detectar concentraciones de metano mucho más bajas que las anteriores. Los operadores pueden volver a utilizarlo en segundos en lugar de minutos u horas.

Este sensor mejoró tanto la tecnología existente que en 2016, La revista R&D 100 lo reconoció como finalista de R&D 100. El equipo de investigación ahora está trabajando con el proyecto Array of Things, una colaboración entre la Universidad de Chicago y ANL. Como parte del esfuerzo por recopilar datos en tiempo real de cientos de sensores en Chicago, El equipo de Array of Things anticipa el uso de estos sensores de metano en el futuro.

Proyectos como Array of Things tienen el potencial de transformar ciudades en redes de sensores, colocando ojos y narices digitales en todo el paisaje construido. Pero estas redes y tecnologías no serían posibles sin una base científica sólida. Nada puede igualar la versatilidad de la nariz humana, pero la investigación que apoya la Oficina de Ciencias ayuda a llenar los vacíos de nuestras capacidades biológicas.