‘Laboratorio en un chip’ avanzado: los científicos han creado un espectrómetro ultrapequeño y potente

Imagen del espectrómetro en una diapositiva. Crédito: Oregón

La herramienta abre la puerta al uso generalizado de espectrómetros portátiles.

Los investigadores de espectrofotómetros han creado una mejor herramienta para medir la luz. Este avance podría mejorar todo, desde las cámaras de los teléfonos inteligentes hasta el monitoreo ambiental.

Búsqueda liderada por Finlandia Universidad Aalto, desarrolló un espectrofotómetro increíblemente pequeño y potente que cabe en un microchip y funciona con inteligencia artificial. Su investigación fue publicada recientemente en la revista Ciencias.

El estudio utilizó una clase relativamente nueva de materiales ultrafinos conocidos como semiconductores 2D, y el resultado es un espectrómetro de prueba de concepto que se puede integrar fácilmente en una serie de tecnologías, como plataformas de control de calidad, sensores de seguridad, analizadores biomédicos y espacio. telescopios

dijo Ethan Minot, profesor de física en La Universidad Estatal de Oregon Facultad de Ciencias que trabajó en el estudio. «Los espectrómetros miden la fuerza de la luz en diferentes longitudes de onda y son extremadamente útiles en muchas industrias y todas las áreas de la ciencia para la identificación de muestras y la caracterización de materiales».

Minot afirmó que el nuevo espectrofotómetro podría caber en la punta de un cabello humano, a diferencia de los espectrofotómetros tradicionales que necesitaban grandes componentes ópticos y mecánicos. Según el nuevo estudio, estos componentes podrían reemplazarse con nuevos materiales semiconductores e inteligencia artificial, lo que permitiría reducir significativamente los espectrómetros de las escalas más pequeñas disponibles actualmente, que son aproximadamente del tamaño de una uva.

«Nuestro espectrómetro no requiere el ensamblaje de componentes ópticos y mecánicos separados o diseños de matrices para dispersar y filtrar la luz», dijo Hoon Han Yoon, quien dirigió el estudio con su colega de la Universidad Aalto, Zhipei Sun Yoon. «Además, puede lograr una mayor precisión en comparación con los sistemas de mesa, pero en un paquete mucho más pequeño».

Los investigadores dicen que el dispositivo puede controlarse eléctricamente al 100 por ciento en relación con los colores de la luz que absorbe, lo que le da un enorme potencial para la escalabilidad y la usabilidad a gran escala.

«Integrarlo directamente en dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y drones puede mejorar nuestra vida diaria», dijo Yoon. «Imagine que la próxima generación de cámaras de teléfonos inteligentes podrían ser cámaras hiperespectrales».

Estas cámaras hiperespectrales pueden capturar y analizar información no solo de longitudes de onda visibles, sino que también permiten el análisis y la obtención de imágenes infrarrojas.

«Es emocionante que nuestro espectrómetro abra posibilidades para todo tipo de nuevos instrumentos y herramientas cotidianos para hacer ciencia nueva también», dijo Minot.

En medicina, por ejemplo, ya se está probando la capacidad de los espectrómetros para identificar cambios sutiles en el tejido humano, como la diferencia entre tumores y tejido sano.

Para el monitoreo ambiental, agregó Minot, los espectrómetros pueden detectar exactamente qué tipo de contaminación hay en el aire, el agua o la tierra, y cuánta contaminación hay.

«Sería bueno tener un espectrómetro portátil de bajo costo que haga el trabajo por nosotros», dijo. «Y en el entorno educativo, la enseñanza práctica de los conceptos científicos será más eficaz con el uso de espectrómetros compactos y económicos».

También abundan las aplicaciones para los aficionados orientados a la ciencia, dijo Minot.

«Si está interesado en la astronomía, podría estar interesado en medir el espectro de luz que recolecta con su telescopio y obtener esa información que identifica una estrella o un planeta», dijo. «Si la geología es tu pasatiempo, puedes identificar las piedras preciosas midiendo el espectro de luz que absorben».

Minot cree que a medida que avance el trabajo con semiconductores 2D, «descubriremos rápidamente nuevas formas de utilizar sus nuevas propiedades ópticas y electrónicas». La investigación de los semiconductores bidimensionales sólo se ha llevado a cabo en serio durante doce años, comenzando con un estudio[{» attribute=»»>graphene, carbon arranged in a honeycomb lattice with a thickness of one atom.

“It’s really exciting,” Minot said. “I believe we’ll continue to have interesting breakthroughs by studying two-dimensional semiconductors.”

Reference: “Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction” by Hoon Hahn Yoon, Henry A. Fernandez, Fedor Nigmatulin, Weiwei Cai, Zongyin Yang, Hanxiao Cui, Faisal Ahmed, Xiaoqi Cui, Md Gius Uddin, Ethan D. Minot, Harri Lipsanen, Kwanpyo Kim, Pertti Hakonen, Tawfique Hasan and Zhipei Sun, 20 October 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.add8544

The study was funded by the Academy of Finland. 

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