13/03/2015

Sensores Wi-Fi para detectar contaminación

Una investigación de la URV desarrolla detectores de dióxido de nitrógeno fiables, baratos, pequeños, de bajo consumo energético y que transmiten la información mediante tecnologías inalámbricas

¿Cómo podemos desarrollar sensores que detecten el dióxido de nitrógeno y otros contaminantes, requieran poca intervención humana y puedan transmitir la información recogida a través de tecnologías inalámbricas? La respuesta está en la nanotecnología, la ciencia que estudia la manipulación precisa de los átomos y las moléculas para fabricar productos a escala humana. Investigadores de la URV han desarrollado un prototipo que permite identificar los niveles de dióxido de nitrógeno en el ambiente y es muy barato de producir. Esto permitiría sensorizar las ciudades y controlar este contaminante que, en altas concentraciones, puede ser peligroso para la salud.

Para ello, el investigador Eduard Llobet y el resto de miembros del grupo de Microsistemas y Nanotecnologías para el Análisis Químico (MINOS) de la Universitat Rovira i Virgili (URV) de Tarragona trabajan desde 2006 con nanotubos de carbono, un nanomaterial sensible que permite detectar gases contaminantes. Ahora, David Girbau y el grupo de Nanoelectrónica y Sistemas Fotónicos (NEPHOS) se han unido a esta investigación. Su experiencia son las redes y tecnologías inalámbricas y, fruto de tal combinación, surge el detector de dióxido de nitrógeno que transmite la información de forma inalámbrica.

 Però, què són els sensors basats en nanotubs de carboni? Aquests nanotubs són una mena de cilindres amb parets formades per àtoms de carboni enllaçats entre ells. A més, són molt petits: el seu diàmetre és d'uns pocs nanòmetres. Un nanòmetre és la milionèsima part d'un mil·límetre. Per fer-se una idea, el diàmetre d'un cabell, de mitjana, és de 0,1 mil·límetres, és a dir, 100.000 nanòmetres. Com que és tan petit, tots els àtoms de carboni estan en contacte amb l'ambient i tenen una gran superfície per interactuar amb els gasos que es volen detectar. Per al sensor "no utilitzem un únic nanotub de carboni, sinó una capa de nanotubs que posem sobre una mena de targeta, similar a una targeta de crèdit", explica l'investigador Eduard Llobet. Aquest sensor està connectat a uns elèctrodes que permeten mesurar-ne la resistència. "En presència de gasos hi ha una variació d'aquesta resistència", afegeix. D'aquesta forma, és possible conèixer el nivell de diòxid de nitrogen a l'ambient en el moment de la lectura. Lectura sense fil Per recollir la informació sobre el nivell de contaminació s'utilitza una tecnologia de sensor sense fil, anomenada RFID. És el mateix sistema que utilitzen, per exemple, els abonaments de l'autobús. D'aquesta forma n'hi ha prou d'acostar-se uns metres al sensor amb un lector per conèixer-ne el valor. El lector envia un senyal i el sensor, que està alimentat per una pila, s'activa i retorna el nivell de contaminació en aquell moment. En un futur, la lectura del sensor també podria recollir-se mitjançant un telèfon mòbil equipat amb aquesta tecnologia i una app amb aquesta funció.
Eduard Llobet, uno de los responsables del proyecto, con integrantes de los grupos de investigación MINOS y NEPHOS

Pero, ¿qué son los sensores basados en nanotubos de carbono? Estos nanotubos son una especie de cilindros con paredes formadas por átomos de carbono enlazados entre ellos. Además, son muy pequeños: su diámetro es de unos pocos nanómetros. Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Para hacerse una idea, el diámetro de un cabello, en promedio, es de 0,1 milímetros, es decir, 100.000 nanómetros. Al ser tan pequeño, todos los átomos de carbono están en contacto con el ambiente y tienen una gran superficie para interactuar con los gases que se pretenden detectar.

Para el sensor “no utilizamos un único nanotubo de carbono, sino una capa de nanotubos que ponemos sobre una especie de tarjeta, similar a una tarjeta de crédito”, explica el investigador Eduard Llobet. Este sensor está conectado a unos electrodos que permiten medir la resistencia. “En presencia de gases hay una variación de esta resistencia”, añade. De esta forma, es posible conocer el nivel de dióxido de nitrógeno en el ambiente en el momento de la lectura.

Lectura inalámbrica

Para recoger la información sobre el nivel de contaminación se utiliza una tecnología de sensor inalámbrico, llamada RFID. Es el mismo sistema que utiliza, por ejemplo, el nuevo DNI electrónico 3.0. De esta forma basta con acercarse unos metros al sensor con un lector para conocer su valor. El lector envía una señal y el sensor, que está alimentado por una pila, se activa y devuelve el nivel de contaminación en ese momento. En un futuro, la lectura del sensor también podría recogerse mediante un teléfono móvil equipado con esta tecnología y una app con esta función.

Dos dels membres del grup amb el dispositiu sensor.
Dos de los miembros del grupo con el dispositivo sensor

De esta forma se consigue hacer funcionar el sensor con un consumo energético mínimo. De hecho, “una pila podría durar más de 10 años en condiciones de uso normal, tiempo que está muy por encima de la vida útil del sensor”, explica Llobet. Pero no es el único beneficio de este sistema: es barato (no más de 5 euros cada tarjeta con los nanotubos, los electrodos y la pila), pequeño y de fabricación sencilla. “La clave está en la miniaturización”, concluye el investigador, “gracias a la cual se podría implementar una red extensa de sensores repartidos por las ciudades. Esto sería impensable con otros tipos de sensores que ya existen, que son más voluminosos y necesitan gran cantidad de energía para funcionar”.

El dióxido de nitrógeno es uno de los contaminantes más perjudiciales y, por ello, es importante reducir sus emisiones, pero también controlar los lugares con mayor concentración de este gas. Se genera, por ejemplo, con las calefacciones y los vehículos, y en concentraciones elevadas puede ser peligroso para la salud de las personas. Muchas ciudades trabajan para detectar y conocer sus valores de contaminación, en la línea de desarrollar una ciudad más sostenible e inteligente.

Otra de las ventajas de los sensores desarrollados en la URV es que funcionan sin necesidad de aplicar temperatura y que el proceso es reversible, es decir, se limpian con el mismo aire. “Otros tipos de sensores son demasiado reactivos y, una vez entran en contacto con el dióxido de nitrógeno, éste no desaparece del sensor aunque su concentración baje, si no se calienta”, aclara Eduard Llobet.

Para solucionar esto, el grupo ha ideado un tratamiento con plasma de oxígeno que es innovador en dos sentidos: en primer lugar, limpia la superficie del nanotubo sin generar residuos; en segundo lugar, ajusta la sensibilidad del nanotubo de forma que sea moderada al vapor de agua y elevada al dióxido de nitrógeno, pero sin ser irreversible. El resultado es un sensor fiable que presenta poca interferencia de la humedad, y que se limpia (es decir, vuelve a su valor inicial) sólo con el aire y a temperatura ambiente.

Los equipos del MINOS y del NEPHOS de la URV ya piensan en las aplicaciones que este sensor podría tener. “A pesar de que nuestro trabajo es de carácter práctico, lo hemos desarrollado a nivel de laboratorio”, explica Llobet. “Ahora queremos llevarlo al mundo real, desplegando algunos de estos sensores en el entorno y demostrando su uso”. Algunas de las posibilidades abarcan desde ofrecer los datos en internet de forma pública hasta desarrollar una aplicación para el móvil mediante la cual los propios usuarios puedan recoger la información de los sensores repartidos por la ciudad.

Referencia al artículo en la revista ‘Sensors and Actuators’


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