Investigadors del grup de Física i Cristal·lografia dels Materials de la URV han dissenyat un nou tipus de sensor fotònic ultrasensible que pot detectar concentracions de substàncies contaminants a l’aigua en volums micro. Es tracta d’un prototip que millora el sensor patentat pel mateix grup, que permet detectar el gel a les ales dels avions en ambients extrems i pot suportar l’erosió sense deixar de funcionar

Aquest nou tipus de sensor fotònic s’ha fabricat sobre una superfície transparent de vidre i es basa en l’excitació infraroja de polaritons plasmònics de superfície (un tipus d’ona electromagnètica) que permet detectar petites concentracions de substàncies contaminants a l’aigua. El sensor aprofita l’existència de ressonàncies moleculars a la regió espectral infraroja per diferenciar substàncies contaminants de l’aigua. És a dir, la llum infraroja utilitzada en aquest treball és absorbida per les molècules de la substància que hi entra en contacte. Una mateixa substància pot absorbir radiació amb longituds d’ona diverses —d’acord amb la seva composició molecular— i cada porció de l’espectre que es captura es deu a una composició molecular específica. El fet que diverses substàncies tinguin ressonàncies diferents serveix per detectar concentracions de substàncies determinades través de diferents tècniques, com la del sensor que ara han desenvolupat. En el treball, el resultat del qual s’acaba de publicar a la revista Optics Letters, es demostra experimentalment, per exemple, la detecció d’un mínim de 0,02 % de volum d’alcohol en aigua pura.

Aquest és un dels resultats del prototip actual, però les simulacions que ha fet el grup de recerca Física i Cristal·lografia de Materials de la URV preveuen que la sensibilitat del sensor augmenti encara més. Aquest nivell de precisió en la detecció òptica de contaminants a l’aigua sobre una superfície de dimensions mil·limètriques pot tenir un gran interès tecnològic, ja que aquest sensor, connectat mitjançant fibres òptiques, pot incorporar-se a qualsevol element fet de vidre com ara provetes, portes de microscopi o fins i tot sobre pantalles de telèfons intel·ligents perquè està dissenyat en una plataforma transparent i, per tant, es pot aplicar allí on es necessiti implantar un sensor químic, també en un vidre. La novetat del treball es troba tant en el mecanisme de detecció com en la integrabilitat.

La tecnologia de fabricació consta d’escriptura làser 3D de femtosegons (10^-15 segons = 0,000 000 000 000 001 segons) sobre vidre per realitzar els elements que guien la llum, les guies d’ona, juntament amb la connexió de fibres òptiques comercials. Això facilita que aquesta tecnologia es pugui traslladar a escala industrial. L’efecte plasmònic s’aconsegueix dipositant una capa nanomètrica d’un material transparent conductor sobre la superfície del vidre.

Detectar el gel a les ales dels avions

El sensor plasmònic que ara s’ha dissenyat és una evolució del que havia patentat el mateix grup de recerca prèviament i que es pot utilitzar en ambients extrems, com avions, o entorns abrasius sotmesos a l’erosió atmosfèrica. Aquest sensor no porta incorporada la capa nanomètrica i es basa en un mecanisme físic diferent, però té l’avantatge que és més robust i, per tant, pot suportar ambients erosius, ja que el vidre té la mateixa duresa que les partícules de l’aire.

La principal diferència entre aigua líquida i la sòlida és que tenen una estructura molecular diferent. Aquest canvi d’estructura molecular, ordenada en el cas d’aigua sòlida, és la que produeix un canvi significatiu en les seves propietats físiques, en concret, en les propietats òptiques (índex de refracció i la seva absorció). Com que el sensor que han patentat és molt sensible als canvis en aquestes propietats de l’aigua, és capaç de detectar instantàniament la formació de gel sobre la superfície.  A més, com que l’índex de refracció varia molt també amb la temperatura, es pot monitorar la temperatura de l’aigua des de -40 ºC fins a +40 ºC. El sensor és molt versàtil i el fet d’estar dissenyat per connectar-se amb fibra ho fa molt interessant per a aplicacions aeronàutiques, on el pes ha de ser mínim i, com que les fibres òptiques són molt més lleugeres que els cables elèctrics, són especialment adequades per utilitzar-les en un avió.

El sensor de gel ha estat validat en un túnel de gel, al centre IFAM-Fraunhofer d’Alemanya, on ha estat sotmès a condicions reals de formació de gel en vol a velocitats de fins a 342 km/h. El comportament del sensor ha estat molt satisfactori, ja que ha detectat diferents tipus de gel amb més rapidesa que cap altra tecnologia d’aquestes característiques. En aquests moments les institucions que han format part del projecte JEDI-ACE (Japanese-European De-Icing Aircraft Collaborative Exploration) —un programa d’R+D entre Europa i el Japó que estudia com es pot evitar, alertar i eliminar el gel que s’acumula en zones de l’avió—, treballen per sol·licitar un nou projecte en què el sensor tindria un paper central i seria testat en avions reals.

Referència bibliogràfica: Javier Martínez, Airán Ródenas, Magdalena Aguiló, Toney Fernandez, Javier Solis, and Francesc Díaz, “Mid-infrared surface plasmon polariton chemical sensing on fiber-coupled ITO coated glass,” Opt. Lett. 41, 2493-2496 (2016) Doi: 10.1364/OL.41.002493