Una investigació de la URV desenvolupa detectors de diòxid de nitrogen fiables, barats, petits, de baix consum energètic i que transmeten la informació mitjançant tecnologies sense fil

Com podem desenvolupar sensors que detectin el diòxid de nitrogen i altres contaminants, requereixin poca intervenció humana i puguin transmetre la informació recollida a través de tecnologies sense fil? La resposta la té la nanotecnologia, la ciència que estudia la manipulació precisa dels àtoms i les molècules per fabricar productes a escala humana. Investigadors de la URV han desenvolupat un prototip que permet identificar els nivells de diòxid de nitrogen a l’ambient i és molt barat de produir. Això permetria sensoritzar les ciutats i controlar aquest contaminant que, en altes concentracions, és perillós per a la salut de les persones.

Per fer-ho, l’investigador Eduard Llobet i la resta de membres del grup de Microsistemes i Nanotecnologies per a l’Anàlisi Química (MINOS) de la Universitat Rovira i Virgili (URV) de Tarragona treballen des de 2006 amb nanotubs de carboni, un nanomaterial sensible que permet detectar gasos contaminants. Ara, David Girbau i el grup de Nanoelectrònica i Sistemes Fotònics (NEPHOS) s’han unit a aquesta investigació. La seva expertesa són les xarxes i tecnologies sense fil i, fruit d’aquesta combinació, sorgeix el detector de diòxid de nitrogen que transmet la informació sense fil.

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.

D’aquesta forma s’aconsegueix fer funcionar el sensor amb un consum energètic mínim. De fet, “una pila podria durar més de 10 anys en condicions d’ús normal, temps que està molt per sobre de la vida útil del sensor”, explica Llobet. Però no és l’únic benefici d’aquest sistema: és barat (no més de 5 euros cada targeta amb els nanotubs, els elèctrodes i la pila), petit i de fabricació senzilla. “La clau és a la miniaturització”, conclou l’investigador, “gràcies a la qual es podria implementar una xarxa extensa de sensors repartits per les ciutats. Això seria impensable amb altres tipus de sensors que ja existeixen, que són més voluminosos i necessiten gran quantitat d’energia per funcionar”.

El diòxid de nitrogen és un dels contaminants més perjudicials i, per això, és important reduir-ne les emissions, però també controlar els llocs amb més concentració d’aquest gas. Es genera, per exemple, amb les calefaccions i els vehicles, i en concentracions elevades és perillós per a la salut de les persones. Moltes ciutats treballen per detectar i conèixer els valors de contaminació, en la línia de desenvolupar una ciutat més sostenible i intel·ligent.

Tractament amb plasma d’oxigen

Un altre dels avantatges dels sensors desenvolupats a la URV és que funcionen sense necessitat d’aplicar-hi temperatura i que el procés és reversible, és a dir, es netegen amb l’aire. “Altres tipus de sensors són massa reactius i, un cop entren en contacte amb el diòxid de nitrogen, aquest no desapareix del sensor encara que la seva concentració baixi, si no s’escalfa”, aclareix Eduard Llobet.

Per solucionar això, el grup ha ideat un tractament amb plasma d’oxigen que és innovador en dos sentits: en primer lloc, neteja la superfície del nanotub sense generar residus; en segon, ajusta la sensibilitat del nanotub de forma que sigui moderada al vapor d’aigua i elevada al diòxid de nitrogen, però sense ser irreversible. El resultat és un sensor fiable que presenta poca interferència de la humitat, i que es neteja (és a dir, torna al seu valor inicial) només amb l’aire i a temperatura ambient.

L’equip del MINOS i del NEPHOS de la URV ja pensen en les aplicacions que aquest sensor podria tenir. “Tot i que el nostre treball és de caràcter pràctic, l’hem desenvolupat a nivell de laboratori”, explica Llobet. “Ara volem portar-lo al món real, desplegant alguns d’aquests sensors i demostrant el seu ús en l’entorn”. Algunes de les possibilitats van des d’oferir aquestes dades a internet de forma pública fins a desenvolupar una aplicació per al mòbil on els mateixos usuaris puguin recollir la informació dels diferents sensors repartits per la ciutat.

Referència a l’article a la revista ‘Sensors and Actuators’