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Sensores basados en Grafeno

¿Qué es un sensor?

Un sensor es un dispositivo que detecta eventos que ocurren en el entorno físico (como luz, calor, movimiento, humedad, presión y más), y responde con una salida, generalmente una señal eléctrica, mecánica u óptica. El termómetro de mercurio doméstico es un ejemplo simple de un sensor: detecta la temperatura y reacciona con una expansión de líquido medible. Los sensores están en todas partes: se pueden encontrar en aplicaciones cotidianas, como botones de ascensor sensibles al tacto y superficies de atenuación de la lámpara que responden al tacto, pero también hay muchos tipos de sensores que pasan desapercibidos por la mayoría de los sensores, como los que se utilizan en medicina, robótica, aeroespacial y más.

Los tipos tradicionales de sensores incluyen temperatura, presión (termistores, termopares y más), humedad, flujo (electromagnético, desplazamiento de posición y más), movimiento y proximidad (capacitivo, fotoeléctrico, ultrasónico y más), aunque existen otras innumerables versiones. Los sensores se dividen en dos grupos: sensores activos y pasivos. Los sensores activos (como las células fotoconductoras o los sensores de detección de luz) requieren una fuente de alimentación, mientras que los pasivos (radiómetros, fotografía de película) no lo requieren.

¿Dónde se pueden encontrar los sensores?

Los sensores se utilizan en numerosas aplicaciones, y pueden organizarse en grupos por formas de uso:

Acelerómetros: sensores basados ​​en tecnología microelectromecánica, utilizados principalmente en dispositivos móviles, medicamentos para monitorización de pacientes (como marcapasos) y sistemas de vehículos.

Biosensores: sensores basados ​​en tecnología electroquímica, utilizados para pruebas de alimentos y agua, dispositivos médicos, rastreadores de ejercicios y muñequeras (que miden, por ejemplo, los niveles de oxígeno en la sangre y la frecuencia cardíaca) y usos militares (guerra biológica y más).

Sensores de imagen: sensores basados ​​en CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario), utilizados en electrónica de consumo, biometría, tráfico y vigilancia de seguridad e imágenes de PC.

Detectores de movimiento: sensores que pueden ser infrarrojos, ultrasónicos o con tecnología de microondas / radar. Se utilizan en videojuegos, detección de seguridad y activación de luz.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es un material bidimensional hecho de átomos de carbono, a menudo denominado “material milagroso” por sus características sobresalientes. Es 200 veces más fuerte que el acero con un átomo de espesor, así como el material más conductor del mundo. Es tan denso que el átomo más pequeño de helio no puede pasar a través de él, pero también es ligero y transparente. Desde su aislamiento en 2004, tanto los investigadores como las empresas están estudiando fervientemente el grafeno, que revolucionará varios mercados y producirá procesos mejorados, componentes de mejor rendimiento y nuevos productos.

Grafeno y sensores

El grafeno y los sensores son una combinación natural, ya que la gran relación superficie-volumen del grafeno, las propiedades ópticas únicas, la excelente conductividad eléctrica, la alta movilidad y densidad del portador, la alta conductividad térmica y muchos otros atributos pueden ser muy beneficiosos para las funciones del sensor. La gran área de superficie del grafeno puede mejorar la carga superficial de las biomoléculas deseadas, y una excelente conductividad y un pequeño espacio de banda pueden ser beneficiosos para conducir electrones entre las biomoléculas y la superficie del electrodo.

Sensor químico basado en grafeno

Se cree que el grafeno está especialmente extendido en biosensores y diagnósticos. La gran área de superficie del grafeno puede mejorar la carga superficial de las biomoléculas deseadas, y una excelente conductividad y un pequeño espacio de banda pueden ser beneficiosos para conducir electrones entre las biomoléculas y la superficie del electrodo. Los biosensores se pueden usar, entre otras cosas, para la detección de una variedad de analitos como la glucosa, el glutamato, el colesterol, la hemoglobina y más. El grafeno también tiene un potencial significativo para permitir el desarrollo de biosensores electroquímicos, basado en la transferencia directa de electrones entre la enzima y la superficie del electrodo.

El grafeno permitirá que los sensores sean más pequeños y livianos, brindando infinitas posibilidades de diseño. También serán más sensibles y podrán detectar cambios más pequeños en la materia, trabajarán más rápidamente y, en última instancia, incluso serán más económicos que los sensores tradicionales. Algunos diseños de sensores basados ​​en grafeno contienen un Transistor de efecto de campo (FET) con un canal de grafeno. Tras la detección de la unión del analito objetivo, la corriente a través del transistor cambia, lo que envía una señal que puede analizarse para determinar varias variables.

Los dispositivos nanoelectrónicos basados ​​en grafeno también se han investigado para su uso en sensores de ADN (para detectar nucleobases y nucleótidos), sensores de gas (para la detección de diferentes gases), sensores de pH, sensores de contaminación ambiental, sensores de tensión y presión, y más.

Actividades comerciales en el campo de los sensores de grafeno

En junio de 2015, una colaboración entre Bosch, el gigante de la ingeniería con sede en Alemania, y los científicos del Instituto Max-Planck para la Investigación del Estado Sólido produjo un sensor magnético basado en grafeno 100 veces más sensible que un dispositivo equivalente basado en silicio.

En agosto de 2014, Graphene Frontier, con sede en EE. UU., Anunció la recaudación de $ 1.6 millones para expandir el desarrollo y la fabricación de sus sensores GFET funcionalizados con grafeno . Su marca de “seis sensores” para sensores químicos y biológicos altamente sensibles se puede utilizar para diagnosticar enfermedades con sensibilidad y eficiencia sin paralelo a los sensores tradicionales.

Sensor de grafeno G-FET Seis Sensores

En septiembre de 2014, la AMO alemana desarrolló un fotodetector basado en grafeno en colaboración con Alcatel Lucent Bell Labs , que se dice que es el fotodetector más rápido del mundo.

En noviembre de 2013, el centro de investigación de Cambridge en Nokia desarrolló un sensor de humedad basado en el óxido de grafeno que es increíblemente rápido, delgado, transparente, flexible y con una gran respuesta y tiempos de recuperación. Nokia también solicitó una patente en agosto de 2012 para un fotodetector basado en grafeno que es transparente, delgado y en última instancia debería ser más barato que los fotodetectores tradicionales.