Los científicos e ingenieros de materiales han desarrollado un sensor que es lo suficientemente rápido, sensible y eficiente como para detectar longitudes de onda específicas de energía electromagnética mientras están en movimiento. La tecnología podría explorar activamente áreas en busca de fugas de metano o gas natural, monitorear la salud de vastos campos decosechar o clasificar rápidamente plásticos para reciclarlos
Trabajando en estrecha colaboración con la empresa de materiales optoelectrónicos SRICO, los ingenieros de la Universidad de Duke han construido un prototipo de detector que supera a la competencia existente en tamaño, peso, potencia, velocidad y, lo más importante, el costo.
La nueva tecnología se basa en metamateriales: estructuras de ingeniería hechas de células repetitivas cuidadosamente diseñadas que pueden interactuar con ondas electromagnéticas de formas poco naturales. Al combinar patrones aparentemente simples de metal con cortes extremadamente delgados de cristales perfectos, los ingenieros crearon un dispositivo aerodinámico capazpara detectar firmas infrarrojas invisibles emitidas por varios tipos de gases, plásticos y otras fuentes.
Los resultados aparecieron el 20 de febrero de 2017 en la revista óptica .
"El beneficio de usar metamateriales es que los diferentes componentes requeridos en un detector pueden combinarse en una sola característica", dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Esa simplificación le brinda mucha eficiencia".
En un detector térmico típico, las ondas de luz infrarroja son absorbidas y convertidas en calor por una sustancia negra, esencialmente hollín. Ese calor se conduce a un componente separado que crea una señal eléctrica que luego se lee. Esta configuración crea limitaciones de velocidad,y solo mediante la superposición de filtros o un sistema complejo de espejos móviles, se pueden distinguir longitudes de onda específicas.
El nuevo sensor de metamaterial evita estos dos problemas.
Cada pequeña sección del detector consiste en un patrón de oro colocado sobre el cristal de niobato de litio. Este cristal es piroeléctrico, lo que significa que cuando se calienta, crea una carga eléctrica. Como rasurar un trozo de queso de un bloque,Los ingenieros de SRICO utilizan un haz de iones para pelar una rodaja de cristal de solo 600 nanómetros de espesor. Esta técnica elimina posibles defectos en la estructura cristalina, lo que reduce el ruido de fondo. También crea una rodaja más delgada que otros enfoques, permitiendo que el cristal se caliente máscon rapidez.
Normalmente, este cristal es tan delgado que la luz simplemente viajaría sin ser absorbido. Sin embargo, los investigadores adaptan la capa superior de oro en un patrón que se combina con las propiedades del cristal para hacer que el píxel absorba solo un rango específico defrecuencias electromagnéticas, eliminando la necesidad de filtros separados. Cuando el cristal se calienta y genera una carga eléctrica, el oro cumple una doble función al llevar la señal al amplificador del detector, eliminando la necesidad de cables eléctricos separados.
"Estos diseños permiten que esta tecnología sea de 10 a 100 veces más rápida que los detectores existentes porque el calor es creado directamente por el cristal", dijo Jon Suen, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Padilla. "Esto nos permite crear dispositivos con menos píxeles y tambiénpresenta la capacidad de barrer el detector a través de un área o capturar imágenes en movimiento "
"Este es un buen matrimonio de tecnologías", dijo Vincent Stenger, ingeniero de SRICO y coautor del artículo. "Trabajar con Duke ha sido una de las situaciones más ideales que he tenido con la transferencia de tecnología. Podemos enfocarnosen hacer el material y pueden enfocarse en la estructura del dispositivo. Ambas partes han estado contribuyendo con un producto claro en mente que ahora estamos trabajando en marketing ".
Los investigadores pueden fabricar el dispositivo para detectar cualquier rango específico de frecuencias electromagnéticas simplemente rediseñando los detalles del patrón dorado.
Stenger y sus colegas de SRICO ya han creado un prototipo de un solo píxel como prueba de concepto. Actualmente están trabajando para encontrar financiación de inversores de la industria o posiblemente una subvención del gobierno.
Los investigadores son optimistas ya que su dispositivo tiene muchas ventajas sobre las tecnologías existentes. Su rápido tiempo de detección le permitiría escanear rápidamente sobre un área mientras busca fugas de metano o gas natural. La simplicidad de su diseño lo hace lo suficientemente liviano como para transportarlocampos para evaluar la salud de los cultivos agrícolas.
"Incluso podría convertir esto en un instrumento de laboratorio de bajo costo para espectroscopía de muestras médicas", dijo Padilla. "No estoy seguro de cuál sería el punto de precio eventual, pero sería mucho menos que los $ 300,000instrumento que tenemos actualmente en nuestro laboratorio "
Esta investigación fue apoyada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. W311SR-14-C-0006.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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