Utilizando resonadores de luz de polímero microscópicos que se expanden en presencia de gases específicos, Los investigadores del Laboratorio de Fotónica Cuántica del MIT han desarrollado nuevos sensores ópticos con niveles de detección previstos en el rango de partes por mil millones. Los sensores ópticos son ideales para detectar concentraciones de gases traza debido a su alta relación señal / ruido, compacto, naturaleza ligera, e inmunidad a interferencias electromagnéticas.

Aunque antes se habían desarrollado otros sensores ópticos de gas, el equipo del MIT concibió un extremadamente sensible, forma compacta de detectar cantidades cada vez más pequeñas de moléculas objetivo. Describen su nuevo enfoque en la revista. Letras de física aplicada .

Los investigadores fabricaron cavidades de cristal fotónico a escala de longitud de onda a partir de PMMA, un polímero económico y flexible que se hincha cuando entra en contacto con un gas objetivo. El polímero está impregnado de tinte fluorescente, que emite selectivamente en la longitud de onda resonante de la cavidad a través de un proceso llamado efecto Purcell. En esta resonancia, un color específico de luz se refleja hacia adelante y hacia atrás unos miles de veces antes de que finalmente se filtre. Un filtro espectral detecta este pequeño cambio de color, que puede ocurrir incluso a un nivel subnanométrico de hinchazón de la cavidad, ya su vez revela la concentración de gas.

"Estos polímeros se utilizan a menudo como recubrimientos en otros materiales, por lo que son abundantes y seguros de manipular. Debido a su deformación en respuesta a sustancias bioquímicas, Los sensores de cavidad hechos completamente de este polímero conducen a un sensor con una respuesta más rápida y una sensibilidad mucho mayor. ", dijo Hannah Clevenson. Clevenson es estudiante de doctorado en el departamento de ingeniería eléctrica e informática del MIT, quien dirigió el esfuerzo experimental en el laboratorio del investigador principal Dirk Englund.

El PMMA se puede tratar para interactuar específicamente con una amplia gama de diferentes sustancias químicas objetivo, haciendo que el diseño del sensor del equipo del MIT sea muy versátil. Existe una amplia gama de aplicaciones potenciales para el sensor, dijo Clevenson, "desde la detección industrial en grandes plantas químicas para aplicaciones de seguridad, a la detección ambiental en el campo, a las aplicaciones de seguridad nacional para la detección de gases tóxicos, a entornos médicos, donde el polímero podría tratarse para anticuerpos específicos ".

Las finas películas de polímero de PMMA, que tienen 400 nanómetros de espesor, están modelados con estructuras que miden entre 8 y 10 micrómetros de largo por 600 nanómetros de ancho y están suspendidas en el aire. En un experimento, las películas estaban incrustadas en papel tisú, lo que permitió que el 80 por ciento de los sensores se suspendieran sobre los espacios de aire en el papel. Rodear la película de PMMA con aire es importante, Clevenson dijo:ambos porque permite que el dispositivo se hinche cuando se expone al gas objetivo, y porque las propiedades ópticas del aire permiten diseñar el dispositivo para atrapar la luz que viaja en la película de polímero.

El equipo descubrió que estos sensores son fácilmente reutilizables, ya que el polímero se contrae a su longitud original una vez que se ha eliminado el gas objetivo.

La sensibilidad experimental actual de los dispositivos es de 10 partes por millón, pero el equipo predice que con un mayor refinamiento, podrían detectar gases con niveles de concentración de partes por mil millones.