Los investigadores de ETH han desarrollado un espectrómetro de infrarrojos compacto. Es lo suficientemente pequeño como para caber en un chip de computadora, pero aún puede abrir posibilidades interesantes, en el espacio y en la vida cotidiana.

Hoy en día, un teléfono móvil puede hacer casi cualquier cosa:tomar fotos o videos, enviar mensajes, determinar su ubicación actual, y por supuesto transmitir conversaciones telefónicas. Con estos dispositivos versátiles, incluso podría ser posible determinar el contenido de alcohol de una cerveza o qué tan madura está una pieza de fruta.

A primera vista, la idea de utilizar teléfonos móviles para análisis químicos parece atrevida. Después de todo, los espectrómetros infrarrojos que se utilizan hoy en día para tales análisis generalmente pesan varios kilogramos y son difíciles de integrar en un dispositivo de mano. Ahora, los investigadores de ETH Zurich han dado un paso importante para convertir esta visión en realidad. David Pohl y Marc Reig Escalé, en el grupo encabezado por Rachel Grange, Catedrático de Nanomateriales Ópticos en el Departamento de Física, colaboró ​​con otros colegas para desarrollar un chip de unos 2 centímetros cuadrados de tamaño. Con eso, pueden analizar la luz infrarroja de la misma forma que lo harían con un espectrómetro convencional.

Guías de ondas en lugar de espejos

Un espectrómetro convencional divide la luz incidente en dos caminos antes de reflejarla en dos espejos. Los haces de luz reflejados se recombinan y miden con un fotodetector. Mover uno de los espejos crea un patrón de interferencia, que se puede utilizar para determinar la proporción de diferentes longitudes de onda en la señal entrante. Debido a que las sustancias químicas crean brechas características en el espectro infrarrojo, los científicos pueden usar los patrones resultantes para identificar qué sustancias se encuentran en la muestra de prueba y en qué concentración.

Este mismo principio está detrás del mini-espectrómetro desarrollado por los investigadores de ETH. Sin embargo, en su dispositivo, la luz incidente ya no se analiza con la ayuda de espejos móviles; en lugar de, utiliza guías de ondas especiales con un índice de refracción óptico que se puede ajustar externamente mediante un campo eléctrico. "La variación del índice de refracción tiene un efecto similar a lo que sucede cuando movemos los espejos, "Pohl explica, "por lo que esta configuración nos permite dispersar el espectro de la luz incidente de la misma manera".

Un proceso de estructuración desafiante

Dependiendo de cómo esté configurada la guía de ondas, los investigadores pueden examinar diferentes partes del espectro de luz. "En teoria, nuestro espectrómetro le permite medir no solo la luz infrarroja, pero también luz visible, siempre que la guía de ondas esté configurada correctamente, "Dice Escalé. A diferencia de otros espectrómetros integrados que pueden cubrir solo un rango estrecho del espectro de luz, el dispositivo desarrollado por el grupo de Grange tiene la gran ventaja de que puede analizar fácilmente una amplia sección del espectro.

Junto a su tamaño compacto, La innovación de los físicos de ETH ofrece otras dos ventajas:el "espectrómetro en un chip" debe calibrarse solo una vez, en comparación con los dispositivos convencionales que necesitan recalibrarse una y otra vez; y porque no contiene partes móviles, requiere menos mantenimiento.

Para su espectrómetro, los investigadores de ETH emplearon un material que también se utiliza como modulador en la industria de las telecomunicaciones. Este material tiene muchas propiedades positivas, pero como una guía de ondas, confina la luz al interior. Esto es menos que ideal ya que una medición solo es posible si puede salir parte de la luz guiada. Por esta razón, Los científicos adjuntaron delicadas estructuras metálicas a las guías de ondas que dispersan la luz hacia el exterior del dispositivo. "Requirió mucho trabajo en la sala limpia hasta que pudimos estructurar el material de la manera que queríamos, "Grange explica.

Perfecto para el espacio

Hasta que el miniespectómetro actual pueda integrarse realmente en un dispositivo móvil u otro dispositivo electrónico, sin embargo, todavía quedan algunos avances tecnológicos por hacer. "Por el momento, estamos midiendo la señal con una cámara externa, "Grange dice, "así que si queremos tener un dispositivo compacto, tenemos que integrar esto también ".

Originalmente los físicos apuntaban, no en análisis químicos, pero en una aplicación completamente diferente:en astronomía, Los espectrómetros infrarrojos proporcionan información valiosa sobre los objetos celestes distantes. Debido a que la atmósfera terrestre absorbe una gran cantidad de luz infrarroja, Sería ideal colocar estos instrumentos en satélites o telescopios en el espacio. Un compacto, Un dispositivo de medición ligero y estable que se puede lanzar al espacio de forma relativamente económica ofrecería naturalmente un beneficio sustancial.