Imagen de microscopio electrónico de barrido de un segmento de sensor de gas fabricado con un nanoalambre semiconductor de nitruro de galio. El nanoalambre de menos de 500 nanómetros de diámetro está recubierto con nanoclusters de dióxido de titanio, que altera la corriente en el nanoalambre en presencia de un compuesto orgánico volátil y luz ultravioleta. Crédito:NIST
(PhysOrg.com) - Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), La Universidad George Mason y la Universidad de Maryland han creado sensores de tamaño nanométrico que detectan compuestos orgánicos volátiles:contaminantes dañinos liberados por pinturas, limpiadores, pesticidas y otros productos, que ofrecen varias ventajas sobre los sensores de gas comerciales actuales, incluida la operación a temperatura ambiente de baja potencia y la capacidad de detectar uno o varios compuestos en una amplia gama de concentraciones.
El trabajo publicado recientemente es una prueba de concepto para un sensor de gas hecho de un solo nanoalambre y nanoclusters de óxido metálico elegidos para reaccionar con un compuesto orgánico específico. Este trabajo es el más reciente de varios esfuerzos en NIST que aprovechan las propiedades únicas de los nanocables y los elementos de óxido metálico para detectar sustancias peligrosas.
Los sensores de gas comerciales modernos están hechos de películas conductoras de óxidos metálicos. Cuando un compuesto orgánico volátil como el benceno interactúa con el dióxido de titanio, por ejemplo, una reacción altera la corriente que atraviesa la película, activar una alarma. Si bien los sensores de película delgada son efectivos, muchos deben operar a temperaturas de 200 ° C (392 ° F) o más. El calentamiento frecuente puede degradar los materiales que componen las películas y los contactos, causando problemas de confiabilidad. Además, La mayoría de los sensores de película fina funcionan dentro de un rango estrecho:se puede atrapar una pequeña cantidad de tolueno en el aire, pero no detecta una liberación masiva del gas. El rango de los nuevos sensores de nanocables va desde solo 50 partes por mil millones hasta 1 parte por 100, o el 1 por ciento del aire en una habitación.
Estos nuevos sensores, construido utilizando los mismos procesos de fabricación que se utilizan comúnmente para chips de computadora de silicio, operar usando el mismo principio básico, pero en una escala mucho menor:los alambres de nitruro de galio tienen menos de 500 nanómetros de ancho y menos de 10 micrómetros de largo. A pesar de su tamaño microscópico, los nanocables y los nanoclusters de dióxido de titanio con los que están recubiertos tienen una alta relación superficie-volumen que los hace exquisitamente sensibles.
"La corriente eléctrica que fluye a través de nuestros nanosensores está en el rango de los microamperios, mientras que los sensores tradicionales requieren miliamperios, "explica Abhishek Motayed del NIST." Así que estamos sintiendo con mucho menos poder y energía. Los nanosensores también ofrecen mayor fiabilidad y menor tamaño. Son tan pequeños que puedes ponerlos en cualquier lugar ". La luz ultravioleta, en lugar de calor, promueve que el dióxido de titanio reaccione en presencia de un compuesto orgánico volátil.
Más lejos, cada nanoalambre es un monocristal sin defectos, en lugar de la conglomeración de granos de cristal en sensores de película delgada, por lo que son menos propensos a la degradación. En pruebas de confiabilidad durante el último año, los sensores de tamaño nanométrico no han experimentado fallas. Si bien los sensores experimentales actuales del equipo están sintonizados para detectar benceno, así como los compuestos orgánicos volátiles similares tolueno, etilbenceno y xileno, su objetivo es construir un dispositivo que incluya una serie de nanocables y varios nanoclusters de óxido metálico para analizar mezclas de compuestos. Planean colaborar con otros equipos del NIST para combinar su enfoque de luz ultravioleta con tecnologías de detección de nanocables inducidas por calor.
