El monitoreo de la calidad del aire es un tema importante para la salud pública. Si bien los rastreadores de actividad física portátiles pueden rastrear muchos parámetros de salud, el acceso a los datos sobre la calidad del aire sigue siendo limitado. Los físicos del ARC (Centro de Excelencia para Sistemas Metaópticos Transformativos) están trabajando en una solución innovadora: microespectrómetros infrarrojos portátiles que podrían integrarse en dispositivos portátiles.
Esta nueva tecnología, desarrollada por el equipo de la Universidad de Melbourne, utiliza un algoritmo de aprendizaje automático y los matrices de filtros espectrales de metasuperficie crear un microespectrómetro (MIMM) capaz de detectar la firma infrarroja única de múltiples gases utilizando un solo sensor.
El prototipo, actualmente del tamaño de una caja de cerillas, tiene potencial para miniaturizarse aún más. Los espectrómetros infrarrojos tradicionales son excelentes detectores de gases, pero son voluminosos y normalmente están reservados para laboratorios. Los detectores multigas portátiles actuales se componen de varios sistemas de sensores voluminosos en una sola carcasa, lo que limita su utilidad.
Filtros de metasuperficie para una miniaturización eficiente
Un filtro de metasuperficie integrado en un detector de infrarrojos estándar resuelve los problemas de miniaturización creando sensores a partir de materiales de sólo unos pocos nanómetros de espesor. Los investigadores de TMOS crearon una serie de filtros espectrales de metasuperficie para crear un sensor capaz de detectar todos los gases nocivos.
La matriz de filtros consta de nanoestructuras metálicas sobre un sustrato de silicio. Al variar la periodicidad de las nanoestructuras, las características espectrales de estos filtros se pueden sintonizar en la longitud de onda de interés. En este estudio demostraron su eficacia con dióxido de carbono, metano, amoníaco y metiletilcetona.
Hacia una aplicación a otros problemas de detección de sustancias químicas
Según Jiajun Meng, autor principal del estudio, “El microespectrómetro es un conjunto de filtros de metasuperficie integrado en una cámara IR comercial, compacto (~1 cm3) y liviano (~1 g). El algoritmo de aprendizaje automático está entrenado para analizar los datos del microespectrómetro y predecir los gases presentes.»
Kenneth Crozier, investigador jefe de TMOS, añade: “Los próximos pasos de la investigación son aumentar la sensibilidad del dispositivo y hacer que la plataforma sea más robusta. Estamos entusiasmados con esta tecnología porque, con un poco más de desarrollo, se puede aplicar a muchos otros problemas de detección química (por ejemplo, sólidos y líquidos).»
Artículo: “Sistema inteligente de detección de gas mediante microespectrómetro de metasuperficie en infrarrojo medio” – DOI: https://www.nature.com/articles/s41378-024-00697-2
