Científicos crean un sensor de temperatura ultransensible

Un material destinado a procesos industriales y biológicos y diseñado en Brasil registra temperaturas que van de los 80 a los 750 Kelvin (de -193 °C a 476 °C). Su descripción salió publicada en Scientific Reports

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – ¿Existe un “termómetro” de diminutas dimensiones (en forma de una delgada película o de partículas micrométricas, o incluso nanométricas), con capacidad para operar en tiempo real y en áreas claramente definidas (con una resolución espacial que varía entre un centímetro y un micrón) y que mida temperaturas con una excepcional sensibilidad, en el amplio rango que va de los 80 Kelvin (K) (- 193 °C) a los 750 Kelvin (476 °C)? Sí, este recurso ya existe.

Se trata de un sensor de temperatura que prácticamente mantiene sin alteraciones la temperatura del objeto medido. Científicos de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil, crearon en laboratorio este dispositivo, que se encuentra en proceso de patentado para su posterior producción comercial.

La descripción de este sensor aparece en un artículo publicado en la revista Scientific Reports, perteneciente al grupo Springer Nature. Los responsables de esta novedad son Fernando Alvarez y Diego Scoca, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Unicamp, y Antonio Ricardo Zanatta, del Instituto de Física de São Carlos de la USP. La investigación cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Investigación y desarrollo de materiales nanoestructurados para aplicaciones electrónicas y de física de superficies”, coordinado por Alvarez.

“Este sensor de temperaturas es un sistema compuesto por dióxido de titanio (TiO₂) dopado con iones de tulio (Tm³⁺). Debido a que es capaz de medir un espectro sumamente amplio de temperaturas, puede empleárselo tanto en el monitoreo de procesos industriales en los cuales la temperatura alcanza en ciertas ocasiones niveles bastante elevados, como en procesos biológicos que son sumamente sensibles a mínimas variaciones de temperatura”, declaró Alvarez a Agência FAPESP.

Cuando es excitado mediante un pulso de láser, este material emite una luz con una longitud de onda sensible a la temperatura del ambiente donde se encuentra. La medición sumamente precisa de la longitud de onda permite determinar la temperatura del medio.

“La variación de la longitud de onda de la emisión luminosa es absolutamente lineal entre 80 K y 750 K. Y el aparato se mantiene íntegro y estable en todo ese rango de temperaturas”, dijo Zanatta. “En el actual estadio, hemos dispuesto el material en forma de película delgada. De este modo es posible cubrir teóricamente cualquier superficie, ya sea plana, curva, lisa o rugosa. También puede disponérselo en forma de micro o nanopartículas.”

Este despliegue tecnológico aún no existe, pero en principio sería posible encapsular el emisor de láser, el sensor de temperatura, el detector de longitud de onda y un radiocomunicador dentro de una pequeña gragea.

Al tomársela con un poco de agua, dicha gragea podría suministrar información sobre la temperatura a lo largo del tracto digestivo hasta que se la elimine del organismo en el extremo opuesto: es un escenario futurista, pero no tan alejado de la ciencia actualmente disponible.

“Una utilización mucho más sencilla, que puede volverse factible rápidamente, consiste en depositar el material sensor en un sustrato plástico y aplicarlo sobre la piel. Es importante destacar que, aparte de ser abundante y de fácil obtención, el dióxido de titanio es biocompatible y, por ende, no es tóxico. En la actualidad se lo emplea en diversas prótesis en el área médica”, dijo Alvarez.

Las aplicaciones de este sensor van desde la localización de hotspots en aparatos electrónicos hasta la detección de infecciones virales o bacterianas en zonas específicas del organismo.

En forma de película delgada, este material puede extenderse en centímetros o hasta en metros cuadrados, y puede aplicárselo sobre las superficies de componentes de vehículos terrestres o aeronaves, o de transformadores del tendido eléctrico. En forma de partículas micrométricas o nanométricas, puede dispersárselo en medios líquidos y aun así se mantiene sólido.

El proceso referente a la patente del sensor se lleva adelante con el apoyo de Innova Unicamp, la agencia de innovación de la universidad pública del mismo nombre, en el estado de São Paulo.

“Como es un dispositivo óptico, es posible obtener la información referente a la temperatura del objeto de interés sin entrar en contacto físico directo con dicho objeto. Basta con proyectar un haz de láser sobre el sensor y observar de qué manera responde el mismo. Al medirse la longitud de onda de la luz que emite el sensor con un detector, es posible determinar con gran precisión la temperatura del objeto”, dijo Zanatta.

La variación de la longitud de onda es de aproximadamente 2 picómetros (2x10^-12 m) por grado de temperatura. Mediante espectroscopía, el detector puede registrar esa variación mínima de longitud de onda. No obstante, la necesidad de contar con ese detector para efectuar dicho registro constituye en el actual estadio uno de los factores limitantes, tanto en términos de costo como en lo que hace a lograr una mayor portabilidad del dispositivo.

“Por ahora la instrumentación asociada es cara, pues son necesarios un láser y un detector. Pero creemos que a medida que avance la tecnología, será posible fabricar un dispositivo integrado que reúna al láser de semiconductor, al sensor de temperatura y al detector. Y al pasar de la escala de laboratorio a la escala industrial, podremos abaratar mucho más los costos”, afirmó Zanatta.

Puede leerse el artículo intitulado A suitable (wide-range + linear) temperature sensor based on Tm³⁺ ions (doi:10.1038/s41598-017-14535-1), de A. R. Zanatta, D. Scoca y F. Alvarez, en el siguiente enlace: nature.com/articles/s41598-017-14535-1.epdf.