L'IMB-CNM desenvolupa un innovador sensor que canvia de color per a la detecció de contaminants

A diferència d'altres sistemes, aquest dispositiu està fabricat amb dos materials que reaccionen de manera oposada al contacte amb cada vapor. La resposta, visible com un canvi de patró de color, permet reconèixer des d'alcohols a dissolvents presents en l'ambient o en productes domèstics

Un equip de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC), amb seu al campus de la UAB de Cerdanyola, ha desenvolupat un sensor que canvia de color podria revolucionar la detecció de contaminants i compostos orgànics volàtils (VOCs). Es tracta d’un dispositiu basat en polímers que es corba i altera el seu color en entrar en contacte amb diferents substàncies, oferint una lectura visual immediata sense necessitat de complexos sistemes electrònics.

Mar Álvarez, investigadora de l'IMB-CNM que lidera la recerca, assenyala que es tracta d'una tecnologia “que permet detectar i identificar compostos volàtils i contaminants en l'ambient de manera ràpida". Des de l’IMB expliquen que és un primer desenvolupament, publicat recentment en Advanced Optical Materials, que suposa una via per a simplificar el control de la qualitat de l'aire i obre la porta a aplicacions en control mediambiental, diagnòstic mèdic i seguretat industrial.

Un sensor mecanocròmic es basa en estímuls mecànics, com a tensió o pressió, per a canviar de color. En aquest cas, l'equip ha fabricat un sensor amb forma de voladís utilitzant capes de dos polímers, molècules repetides en cadena, distints: el polidimetilsiloxà (PDMS) i el tiol-eno-epoxi no estequiomètric (OSTE+). La combinació dels dos polímers permet una resposta diferent del sensor degut al canvi de volum de cada polímer en ser exposat als diferents agents contaminants. A més, una de les superfícies del voladís conté nanoestructures fotòniques, que descomponen la llum i que li donen un color concret al sensor. D'aquesta manera, quan el dispositiu entra en contacte amb un dels compostos i els polímers s'inflen, el voladís es corba, passant de tenir un únic color (com pot ser blau) a tenir un gradient de colors al llarg de la longitud del voladís. Com més gran és la curvatura, major és el gradient de color, sent possible arribar a observar tot l'espectre de color en el voladís.

Álvarez detalla que es tracta “d'un sensor (voladís) molt petit, de menys d'1 mil·límetre quadrat d'àrea, que ha estat microfabricat completament a l'IMB-CNM, i que s'integraria en l'equip o dispositiu de control d'anàlisi". El dispositiu respon al canvi de volum diferencial dels dos polímers que el formen en absorbir un compost volàtil; el que genera una curvatura i, en conseqüència, el canvi cromàtic. La investigadora explica que "és un sistema passiu, que no necessita electrònica pròpia per a funcionar". Per a quantificar la resposta del sensor i identificar el compost a partir del patró cromàtic en temps real, n'hi ha prou amb utilitzar una llum blanca i una càmera. Aquesta detecció es pot fer de manera senzilla, per exemple, amb un telèfon intel·ligent.

Ferran Pujol i Mar Álvarez amb el dispositiu (Foto IMB-CNM-CSIC)

Una fabricació innovadora

Actualment, existeixen sistemes comercials molt sensibles capaços de detectar compostos orgànics volàtils en l'aire, no obstant això, no són capaços de discriminar quin tipus de compost és; únicament detecten la concentració total de VOCs en l'ambient. A més, són dispositius voluminosos i costosos. L'avanç que proposen a l'IMB-CNM simplifica la detecció i discriminació de compostos, que normalment necessita de complexes matrius amb múltiples sensors que no són capaços de discriminar els diferents vapors.

Ferran Pujol, investigador postdoctoral de l'IMB-CNM i primer autor de la publicació explica que ara “la discriminació és possible gràcies a la diferent solubilitat dels dos polímers en els diferents compostos orgànics” . En aquest estudi, indica Pujol, “ha estat possible identificar quins paràmetres de solubilitat, coneguts com a paràmetres Hansen (dispersió, enllacis-H i polaritat) governen la direcció de resposta del sensor depenent de cada tipus de compost”.

Això permet que el sensor respongui de manera diferent depenent del tipus de compost, sense que sigui necessari afegir matrius bioquímiques complexes o específiques a cada compost.

Els pròxims passos de la recerca inclouen ampliar el ventall de compostos orgànics volàtils que es poden detectar, integrar tècniques d'Intel·ligència Artificial, que, pel seu poder de discriminar patrons molt semblants, permetria un funcionament robust fora del laboratori. També preveuen provar el dispositiu en la detecció de compostos orgànics volàtils presents en l'alè humà, on alguns d'aquests compostos actuen com biomarcadors de malalties i podrien facilitar diagnòstics primerencs o el seguiment d'exposicions químiques.