Un equipo de científicos de Graphene Flagship Partners KTH Royal Institute of Technology, Suecia, RWTH Aachen University y AMO GmbH, Alemania, han explotado las propiedades ultrafinas y altamente conductoras del grafeno para desarrollar un acelerómetro extremadamente pequeño con una sensibilidad excepcional.

Los acelerómetros son dispositivos que permiten a los teléfonos inteligentes y otras tecnologías móviles detectar su propia orientación a través de la detección de movimiento basada en ejes. Se usan comúnmente en sistemas de navegación, controladores de videojuegos sensibles al movimiento y teléfonos inteligentes, detectores de terremotos y extremidades biónicas. Los desarrollos más recientes les permiten aplicarse en sistemas de monitoreo de enfermedades cardiovasculares y tecnologías de captura de movimiento portátiles y ultrasensibles.

Los sistemas microelectromecánicos (MEMS), que están formados por componentes de entre 1 y 100 micrómetros de tamaño, han sido la base de nuevas innovaciones en estos campos. Las propiedades únicas del grafeno han permitido al Graphene Flagship desarrollar una nueva generación de sistemas nanoelectromecánicos ultra pequeños, o NEMS, que pueden usarse para desarrollar nuevos sensores de movimiento basados ​​en ejes a una escala extremadamente pequeña.

Xuge Fan, investigador de KTH Royal Institute of Technology, socio insignia de Graphene, dice que ha aplicado esta nueva tecnología para crear la más pequeña jamás reportada.

«Con base en las encuestas y comparaciones que hemos realizado, podemos decir que este es el acelerómetro electromecánico más pequeño del mundo»

El dispositivo consiste en una masa de silicio suspendida en el espacio por una cinta de grafeno, a través de la cual se toman medidas de conductividad eléctrica. Cuando se gira el dispositivo, experimenta una aceleración alrededor de uno o más de sus ejes, lo que hace que la masa de silicio suspendida estire la cinta, lo que resulta en un cambio instantáneo en la conductividad eléctrica que pasa a través de ella. Estos cambios en las mediciones de conductividad se utilizan para determinar la aceleración rotacional y, por lo tanto, los cambios de orientación, con un nivel de sensibilidad sin precedentes.

Peter Steeneken, el líder del paquete de trabajo de sensores del buque insignia de Graphene, es optimista sobre este desarrollo.

«Los acelerómetros sensibles requieren grandes masas y resortes altamente flexibles, lo que generalmente conduce a dispositivos de más de 1 mm2. El grafeno es un material ideal para este propósito: tiene solo un átomo de espesor y, por lo tanto, es extremadamente flexible», comenta. «Los autores se dieron cuenta por primera vez de un acelerómetro de grafeno, con una masa de prueba que es más de 100,000 veces más pesada que los resortes de grafeno por los cuales está suspendido, mientras utilizan las excelentes propiedades eléctricas del grafeno para la detección. Por lo tanto, se dieron cuenta de que verdadero avance en tamaño, con un acelerómetro de grafeno en el que los resortes y la masa tienen un área de menos de 0.001 mm2»

El futuro de acelerómetros tan pequeños es prometedor, continúa Fan. «Con el tiempo, esto podría beneficiar a las aplicaciones de navegación y los podómetros en los teléfonos móviles, así como a los sistemas de monitoreo de enfermedades cardíacas y dispositivos de captura de movimiento que pueden monitorear incluso los movimientos más leves del cuerpo humano», dice. Otros usos potenciales de estos transductores NEMS incluyen sensores y actuadores NEMS ultraminiaturizados como resonadores, giroscopios y micrófonos. Además, los transductores NEMS también se pueden usar como un sistema para caracterizar las propiedades mecánicas y electromecánicas del grafeno.

Max Lemme, autor principal del artículo del socio insignia de Graphene RWTH Aachen University, también está entusiasmado con los resultados. «Nuestra colaboración con KTH a lo largo de los años ya ha demostrado el potencial de las membranas de grafeno para sensores de presión y Hall y micrófonos. Ahora, hemos agregado acelerómetros a la mezcla. Esto me da la esperanza de ver el material en el mercado en unos pocos años». Para esto, estamos trabajando en técnicas de fabricación e integración compatibles con la industria».

Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship y Presidente de su Panel de Administración, agrega: «este trabajo muestra otra posible aplicación del grafeno, por la cual la delgadez, el bajo peso, la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas convergen para producir un dispositivo prototipo con propiedades superiores con aplicaciones potenciales en sistemas nanoelectromecánicos »

Referencia:

Cintas de grafeno con masas suspendidas como transductores en acelerómetros nanoelectromecánicos ultrapequeños, Nature Electronics, 2019, 2, 394-404. Fan de Xuge, Fredrik Forsberg, Anderson D. Smith, Stephan Schröder, Stefan Wagner, Henrik Rödjegård, Andreas C. Fischer, Mikael Östling, Max C. Lemme, Frank Niklaus.