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Un sensor de presión nano
Gire, doble o apriete materiales piezoeléctricos y producirán electricidad, un efecto que se utiliza en micrófonos y teléfonos. Ahora, aprovechando el efecto piezoeléctrico en los nanocables de óxido de zinc, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han creado dispositivos diminutos que pueden medir fuerzas extremadamente pequeñas, en el rango de nano a piconewton. Se trata de la fuerza involucrada en las interacciones entre dos moléculas, dice Zhong Lin Wang , profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en Georgia Tech que dirigió la investigación.
¿Siente eso? Los nanocables de óxido de zinc son extremadamente sensibles a fuerzas diminutas, en el rango de nano a piconewton. Cuando una pequeña fuerza (flecha) dobla un nanoalambre, las cargas eléctricas se acumulan en la superficie del cable y disminuyen la corriente que fluye a través del cable. El principio podría usarse para fabricar pequeños sensores de presión que se pueden implantar en el cuerpo y en aviones y transbordadores espaciales.
Ser capaz de medir fuerzas tan pequeñas podría conducir a dispositivos que podrían implantarse en el cuerpo para medir los cambios mínimos de presión arterial de forma continua, dice Wang. Los sensores también podrían instalarse en las alas de aviones y naves espaciales para monitorear fluctuaciones de presión muy pequeñas. Y debido a que el flujo de corriente a través del nanoalambre responde rápidamente, podría usarse para hacer un gatillo sensible para las bolsas de aire del automóvil. Si está sujeto a una fuerza externa, se apaga en un microsegundo, dice Wang.
La idea de utilizar el efecto piezoeléctrico para hacer sensores de presión no es nueva, dice Toh-Ming Lu , profesor de física aplicada en el Instituto Politécnico Rensselaer (RPI). Lo interesante, de verdad, es hacerlo a una escala tan pequeña, a nanoescala, dice.
Al conectar los dos extremos de un nanoalambre de óxido de zinc a los electrodos, el grupo de Wang ha creado dispositivos similares a los transistores de los dispositivos electrónicos. En un transistor electrónico, la aplicación de voltaje al electrodo de puerta controla el flujo de corriente entre los electrodos fuente y de drenaje. En el nuevo transistor sensor de presión, los dos electrodos a los que está conectado el nanocable actúan como fuente y drenaje, pero no hay puerta. En lugar de aplicar un voltaje en la puerta, simplemente se dobla el cable.
Cuando el nanoalambre se dobla, el lado exterior estirado del cable doblado se carga positivamente, mientras que la superficie interior comprimida se carga negativamente. La diferencia de cargas crea un voltaje que sustituye al voltaje de la puerta.
El óxido de zinc es biocompatible, por lo que se podría implantar el sensor de presión de nanocables en el brazo para controlar la presión arterial de forma continua, dice Wang. El sensor podría transmitir la lectura de presión a un receptor en el reloj que muestra los datos.
Debido a que el dispositivo se basa en la deformación en un solo nanoalambre, se podría pensar que la sensibilidad puede ser muy alta, dice Yi Cui , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford.
Una ventaja del sensor de presión es que podría convertirse en un dispositivo totalmente autoalimentado combinándolo con un nanogenerador, como ya lo demostró el grupo de Wang. (Consulte Electricidad gratuita de los nanogeneradores). El nanogenerador aprovecharía la energía mecánica de los vasos sanguíneos pulsantes y generaría electricidad que alimentaría el sensor de presión.
El concepto también podría aplicarse a otros tipos de detección. Un uso del dispositivo podría ser como biosensor, dice Cui. El principio es que las moléculas que golpean o se adhieren a los nanocables deformarían el cable y cambiarían la corriente a través de él. Los investigadores también podrían desarrollar un sensor químico, en el que la reacción química perturba el nanoalambre, dice Lu de RPI.
La idea se encuentra en una etapa de laboratorio en este momento, y los investigadores aún deben idear un diseño para un dispositivo sensor de presión autoalimentado. Este desafío de ingeniería podría no ser fácil, dice Lu. La idea básica es bastante buena, dice. Exactamente cómo lo haría, ponerlo en el cuerpo y obtener la respuesta, averiguar cuál es la señal, cuál es el ruido, eso siempre es un desafío.