Los investigadores del MIT han desarrollado sensores químicos de bajo costo, hechos de nanotubos de carbono químicamente alterados, que permiten a los teléfonos inteligentes u otros dispositivos inalámbricos detectar trazas de gases tóxicos.
Usando los sensores, los investigadores esperan diseñar insignias de identificación por radiofrecuencia RFID livianas y económicas para ser utilizadas para la seguridad personal. Los soldados en el campo de batalla podrían usar esas insignias para detectar rápidamente la presencia de armas químicas.- como gas nervioso o agentes de asfixia - y por personas que trabajan cerca de productos químicos peligrosos propensos a fugas.
"Los soldados tienen todo este equipo adicional que termina pesando demasiado y no pueden sostenerlo", dice Timothy Swager, profesor de química John D. MacArthur y autor principal en un documento que describe los sensores que se publicó enel Revista de la Sociedad Americana de Química . "Tenemos algo que pesaría menos que una tarjeta de crédito. Y [los soldados] ya tienen tecnologías inalámbricas con ellos, por lo que es algo que puede integrarse fácilmente en el uniforme de un soldado que les puede dar una capacidad de protección".
El sensor es un circuito cargado con nanotubos de carbono, que normalmente son altamente conductores pero que han sido envueltos en un material aislante que los mantiene en un estado altamente resistivo. Cuando se expone a ciertos gases tóxicos, el material aislante se rompe y los nanotubosse vuelven significativamente más conductivos. Esto envía una señal que puede ser leída por un teléfono inteligente con tecnología de comunicación de campo cercano NFC, que permite a los dispositivos transmitir datos a distancias cortas.
Los sensores son lo suficientemente sensibles como para detectar menos de 10 partes por millón de gases tóxicos objetivo en aproximadamente cinco segundos ". Estamos combinando lo que podría hacer con equipos de laboratorio de mesa, como cromatógrafos de gases y espectrómetros, que es mucho más costoso yrequiere operadores calificados para usar ", dice Swager.
Además, cada sensor cuesta aproximadamente un níquel; se pueden hacer aproximadamente 4 millones de aproximadamente 1 gramo de los materiales de nanotubos de carbono. "Realmente no se puede hacer nada más barato", dice Swager. "Esa es una forma de obtenerdetección distribuida en las manos de muchas personas "
Los otros coautores del artículo son del laboratorio de Swager: Shinsuke Ishihara, un postdoc que también es miembro del Centro Internacional de Nanoarquitectónica de Materiales en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, en Japón; y los estudiantes de doctorado Joseph Azzarelli y Markrete Krikorian.
envolviendo nanotubos
En los últimos años, el laboratorio de Swager ha desarrollado otros sensores inalámbricos de bajo costo, llamados quimiresistores, que han detectado la carne en mal estado y la madurez de la fruta, entre otras cosas. Todos están diseñados de manera similar, con nanotubos de carbono que se modifican químicamente, por lo que su capacidadpara llevar un cambio de corriente eléctrica cuando se expone a un químico objetivo.
Esta vez, los investigadores diseñaron sensores altamente sensibles a sustancias químicas "electrofílicas" o amantes de los electrones, que a menudo son tóxicas y se usan para armas químicas.
Para hacerlo, crearon un nuevo tipo de polímero metalo-supramolecular, un material hecho de metales que se unen a cadenas de polímeros. El polímero actúa como un aislamiento, envolviendo cada una de las decenas de miles de nanotubos de carbono de pared simple del sensor,separándolos y manteniéndolos altamente resistentes a la electricidad. Pero las sustancias electrofílicas provocan que el polímero se desarme, permitiendo que los nanotubos de carbono se vuelvan a unir, lo que conduce a un aumento de la conductividad.
En su estudio, los investigadores arrojaron el material de nanotubos / polímeros sobre electrodos de oro y los expusieron a clorofosfato de dietilo, un irritante de la piel y un simulador reactivo de gas nervioso. Utilizando un dispositivo que mide la corriente eléctrica, observaron una cantidad de 2,000aumento porcentual de la conductividad eléctrica después de cinco segundos de exposición. Se observaron aumentos de conductividad similares para trazas de numerosas otras sustancias electrofílicas, como el cloruro de tionilo SOCl2, un simulador reactivo en los agentes de asfixia. La conductividad fue significativamente menor en respuesta a los compuestos orgánicos volátiles comunes.compuestos, y la exposición a la mayoría de los químicos no objetivo en realidad aumentaron la resistividad.
La creación del polímero fue un acto de equilibrio delicado pero crítico para el diseño, dice Swager. Como polímero, el material necesita mantener separados los nanotubos de carbono. Pero a medida que se desmonta, sus monómeros individuales deben interactuar más débilmente, permitiendo que los nanotubosreagruparse ". Llegamos a este punto dulce donde solo funciona cuando todo está enganchado", dice Swager.
La resistencia es legible
Para construir su sistema inalámbrico, los investigadores crearon una etiqueta NFC que se enciende cuando su resistencia eléctrica cae por debajo de un cierto umbral.
Los teléfonos inteligentes envían pulsos cortos de campos electromagnéticos que resuenan con una etiqueta NFC en la frecuencia de radio, lo que induce una corriente eléctrica, que transmite información al teléfono. Pero los teléfonos inteligentes no pueden resonar con etiquetas que tienen una resistencia superior a 1 ohmio.
Los investigadores aplicaron su material de nanotubos / polímeros a la antena de la etiqueta NFC. Cuando se exponen a 10 partes por millón de SOCl2 durante cinco segundos, la resistencia del material cae hasta el punto en que el teléfono inteligente puede hacer ping a la etiqueta. Básicamente, es un "encendido"/ indicador de apagado "para determinar si hay gases tóxicos, dice Swager.
Según los investigadores, dicho sistema inalámbrico podría usarse para detectar fugas en las baterías de Li-SOCl2 cloruro de litio-tionilo, que se usan en instrumentos médicos, alarmas contra incendios y sistemas militares.
El siguiente paso, dice Swager, es probar los sensores en agentes químicos vivos, fuera del laboratorio, que están más dispersos y son más difíciles de detectar, especialmente a niveles de trazas. En el futuro, también hay esperanza de desarrollar una aplicación móvileso podría hacer mediciones más sofisticadas de la intensidad de la señal de una etiqueta NFC: las diferencias en la señal significarán concentraciones más altas o más bajas de un gas tóxico. "Pero crear nuevas aplicaciones para teléfonos celulares está un poco más allá de nosotros en este momento", dice Swager.Somos químicos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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