Nuevo sensor que identifica en tiempo real contaminantes ambientales mediante patrones de color

Un sensor que cambia de color podría revolucionar la detección de agentes contaminantes y compuestos orgánicos volátiles (VOCs).

Unos científicos han desarrollado un dispositivo basado en polímeros que se curva y altera su color al entrar en contacto con diferentes sustancias, ofreciendo una lectura visual inmediata sin necesidad de complejos sistemas electrónicos. Esta tecnología es una vía para simplificar el control de la calidad del aire y abre la puerta a aplicaciones en control medioambiental, diagnóstico médico y seguridad industrial.

El avance es obra del equipo de Ferran Pujol-Vila, Enric Casas-Aguilera y Mar Alvarez, del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB), dependiente del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España.

Los compuestos orgánicos volátiles, presentes tanto en el aire exterior como en productos de uso cotidiano, son una fuente habitual de contaminación que resulta difícil de vigilar con herramientas simples. Para afrontar este desafío, el equipo ha desarrollado un dispositivo combinando dos polímeros (materiales plásticos que reaccionan a los vapores) con nanoestructuras fotónicas, microrranuras que descomponen la luz y le dan color al material. El dispositivo se curva y modifica su color al entrar en contacto con distintas sustancias. Esta respuesta visible ofrece una lectura inmediata sin equipamiento electrónico complejo, es una vía para simplificar el control de calidad del aire y abre la puerta a muchas aplicaciones medioambientales, de diagnóstico médico o seguridad industrial.

“Se trata de una tecnología que permite detectar e identificar compuestos volátiles y contaminantes en el ambiente de forma rápida”, subraya Mar Álvarez.

Concretamente, el equipo ha desarrollado un sensor que cambia de color cuando se ve sometido a un estímulo mecánico (mecanocrómico). Consiste en una pequeña lengüeta flexible sujeta por uno de sus extremos (en voladizo), construida con materiales plásticos formados por dos polímeros (cadenas repetidas de moléculas) con propiedades muy distintas: el polidimetilsiloxano (PDMS) y el tiol‑eno‑epoxi no estequiométrico (OSTE+). Cuando esta lengüeta entra en contacto con distintos vapores, cada material se hincha en diferente medida, lo que hace que el dispositivo se curve y muestre un patrón de color distinto para cada sustancia

Además, una de las superficies del voladizo contiene nanoestructuras que descomponen la luz en colores visibles y le dan un color concreto al sensor. De esta forma, cuando el dispositivo entra en contacto con uno de los compuestos y los polímeros se hinchan, la lengüeta en voladizo se curva, pasando de tener un único color (por ejemplo, azul) a un gradiente de colores a lo largo de la longitud de la lengüeta. Cuanto mayor es la curvatura, mayor es el gradiente de color, y se puede llegar a observar todo el espectro de color en el voladizo.

“Estamos hablando de un sensor (lengüeta) muy pequeño, de menos de 1 milímetro cuadrado de área, que ha sido microfabricado completamente en el IMB, y que se integraría en el equipo o dispositivo de control de análisis. Además, es un sistema pasivo, que no necesita electrónica propia para funcionar”, detalla Álvarez.

Para cuantificar la respuesta del sensor e identificar el compuesto a partir del patrón cromático en tiempo real, basta con utilizar una luz blanca y una cámara. Esta detección se puede hacer de forma sencilla, por ejemplo, con un teléfono inteligente.

El sensor (izquierda, bajo la luz) ha sido microfabricado completamente en el IMB-CNM, y se integraría en el equipo o dispositivo de control de análisis. (Foto: IMB / CNM / CSIC)

Actualmente, existen sistemas comerciales muy sensibles capaces de detectar compuestos orgánicos volátiles en el aire, sin embargo, no pueden discriminar de qué tipo de compuesto se trata; únicamente detectan la concentración total de compuestos orgánicos volátiles en el ambiente. Además, son dispositivos voluminosos y costosos. El avance conseguido en el IMB simplifica la detección y la discriminación de compuestos orgánicos volátiles.

“La discriminación es posible gracias a la diferente solubilidad de los dos polímeros en los diferentes compuestos orgánicos”, explica Ferran Pujol. “En este estudio, ha sido posible identificar qué parámetros de solubilidad (parámetros Hansen: dispersión, enlaces-H y polaridad) gobiernan la dirección de respuesta del sensor dependiendo de cada tipo de compuesto”.

A diferencia de otros sistemas que requieren superficies químicas específicas para cada compuesto (matrices bioquímicas específicas) este sensor los distingue por la reacción natural de sus dos materiales (los polímeros), sin necesidad de diseño molecular a medida.

El estudio se titula “Competitive Bidirectional Response in Bi-Polymeric Mechanochromic Cantilevers Toward Color Imaging-Based VOC Discrimination”. Y se ha publicado en la revista académica Advanced Optical Materials.

Los próximos pasos en esta línea de investigación incluyen ampliar el abanico de compuestos orgánicos volátiles que se pueden detectar, integrar técnicas de inteligencia artificial, que, por su poder de discriminar patrones muy parecidos, permitiría un funcionamiento robusto fuera del laboratorio. También prevén probar el dispositivo en la detección de compuestos orgánicos volátiles presentes en el aliento humano, donde algunos de estos compuestos actúan como biomarcadores de enfermedades y podrían facilitar diagnósticos tempranos o el seguimiento de exposiciones químicas. (Fuente: IMB / CNM / CSIC)