Imaginemos que necesitamos medir la temperatura de células vivas individuales. Dado que una célula tiene un tamaño aproximado de 0,010 mm (0,00004"), los cables del termopar (si ese fuera el método elegido) tendrían que tener un diámetro inferior a una micra. Este es el ámbito de los nanosensores.
Este informe técnico de OMEGA Engineering define la nanotecnología y analiza cómo está habilitando el desarrollo de nuevos tipos de sensores. Aborda las nuevas aplicaciones de medición que estos sensores están abriendo y destaca las ventajas de utilizar sensores compactos. Se hace especial hincapié en la medición de la temperatura con termopares compactos. Aunque pocos ingenieros necesitan trabajar a escala nanométrica, las lecciones son aplicables a muchos campos.
Nanotecnología y nanosensores
«Nano» se refiere a objetos medidos en nanómetros, o milmillonésimas de metro. Para ponerlo en perspectiva, una hoja de papel tiene un grosor de unos 100 000 nanómetros y un cabello rubio mide alrededor de 30 000 nanómetros. A esta escala, la superficie tiene un mayor efecto en el comportamiento de los materiales que en los objetos más grandes. Como resultado, propiedades como la conductividad, la reflectividad y el magnetismo cambian en comparación con los cuerpos más grandes.
Apoyo federal a la investigación
El aprovechamiento de estas propiedades tan especiales se considera que tiene un gran potencial para mejorar la atención sanitaria y desarrollar materiales novedosos y de alto rendimiento. Para catalizar el trabajo en estos campos, el Gobierno federal puso en marcha la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI). Este programa financia trabajos de investigación en nanotecnología.
Una parte de esta iniciativa, la «Iniciativa de Firma Nanotecnológica» (NSI), se centra en el desarrollo de nanosensores. Esto no se refiere al tamaño del sensor (aunque algunos pueden ser de escala nanométrica), sino que significa que el sensor puede funcionar a escala nanométrica. Un ejemplo es la detección de contaminantes atmosféricos de tamaño nanométrico.
Se espera que estos sensores proporcionen «... nuevas soluciones en materia de detección física, química y biológica que permitan aumentar la sensibilidad, la especificidad y la capacidad de multiplexación de los dispositivos portátiles para una amplia variedad de evaluaciones de salud, seguridad y medio ambiente». Como señala un artículo de NSI, «... los nuevos nanosensores de alto rendimiento ya han demostrado una respuesta rápida y una mayor sensibilidad con un tamaño reducido».
Ejemplos de aplicaciones de nanosensores
Sala limpia 
Entorno de laboratorio Los nanosensores tienen aplicaciones en defensa, medicina y salud, y productos de consumo. A continuación se muestran algunos ejemplos:
Detección de sustancias químicas en el aire: Estos sensores aprovechan el cambio en la conductividad eléctrica que se produce cuando las moléculas se unen a nanocables fabricados con materiales semiconductores, como el óxido de zinc. Una de sus aplicaciones es la detección de niveles excesivos de monóxido de carbono.
Detección de bacterias y virus: También utilizan los cambios en la conductividad eléctrica, en este caso la de los nanotubos de carbono a los que se une un anticuerpo. Cuando una bacteria o un virus compatible se une al anticuerpo, se puede medir un cambio en la conductividad.
Medición de la temperatura de las células vivas: Investigadores de las universidades de Princeton y California-Berkeley desarrollaron «nanotermómetros» que pueden insertarse en células individuales. En lugar de utilizar cables de termopar convencionales, su técnica emplea cristales semiconductores que cambian de color a medida que cambia la temperatura. A mayor escala, los científicos utilizan habitualmente termopares de calibre fino para medir la temperatura en tejidos ex vivo, como cuando investigan los efectos del calentamiento de los ultrasonidos.
Medición de la temperatura de los nanofluidos: La gestión del calor es un problema cada vez más importante, especialmente en la Electrónica, y se están realizando investigaciones para desarrollar nanofluidos con características de conductividad térmica superiores. En este caso, se necesitan sensores para medir estos efectos «nano».
Ventajas de los sensores compactos
Reducir el tamaño de un sensor tiene muchas ventajas:
- Respuesta más rápida
- Mejor relación señal-ruido
- Datos más precisos
- Mayor densidad de datos
- Menor impacto en el fenómeno que se mide
Medición de temperatura a pequeña escala
El tiempo de respuesta se correlaciona con el calibre del alambre. Por ejemplo, las cifras de OMEGA muestran que, mientras que un termopar que utiliza un cable de 0,75 mm (0,03") de diámetro necesita 40 segundos para responder a un cambio determinado en la temperatura del aire, uno de 0,025 mm (0,0010") solo necesita 0,05 segundos.
| Tiempo de respuesta | |||
|---|---|---|---|
| Tamaño del cable mm (pulgadas) | Aire en reposo 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | 60 pies/s de aire a 427 °C/38 °C (800 °F/100 °F) | H2O en reposo a 93 °C/38 °C (200 °F/100 °F) |
| 0,025 (0,001) | 0,05 s | 0,004 s | 0,002 s |
| 0,125 (0,005) | 1,0 s | 0,08 s | 0,04 s |
| 0,381 (0,015) | 10,0 s | 0,80 s | 0,40 s |
| 0,75 (0,032) | 40,0 s | 3,2 s | 1,6 s |
Por lo tanto, el uso de cables pelados de calibre fino mejora considerablemente la resolución temporal. Esto permite respuestas de control más rápidas, lo que puede mejorar la calidad en procesos críticos en cuanto a la temperatura, y produce una mayor densidad de datos, lo cual es valioso cuando se intenta capturar efectos transitorios.
Intentar medir un fenómeno pequeño con una herramienta relativamente grande da como resultado una mala relación señal/ruido [imagine medir el diámetro de un cable fino con una regla de 30,5 cm (12")]. Ajustar el sensor a la característica que se mide mejora la calidad de los datos.
La calidad de los datos también mejora gracias a una colocación más precisa del sensor. En el caso de un termopar, uno fabricado con cable de calibre fino a menudo se puede colocar más cerca de la fuente de calor o de la ubicación deseada.
Reducir el tamaño del sensor de medición (en este caso, un termopar) significa que se pueden utilizar más en un área determinada. Esto aumenta la densidad espacial de los datos adquiridos, lo que permite un seguimiento más preciso de efectos como el flujo de calor.
En muchas situaciones, especialmente cuando se miden cantidades muy pequeñas o se realizan mediciones precisas, la influencia del sensor en el fenómeno se convierte en un problema. Un acelerómetro añade masa a un sistema de movimiento, lo que puede alterar los resultados, y un termopar puede hacer lo mismo al conducir el calor lejos del lugar de medición. Lo mismo se aplica cuando se mide la temperatura de un fluido en movimiento; un termopar más grande crea una mayor perturbación en el flujo. Todos estos ejemplos ilustran las ventajas de minimizar el tamaño y la masa de los sensores.
Pensar en pequeño
Entorno de laboratorio La nanotecnología es un campo de investigación muy activo, con implicaciones particulares para la tecnología de sensores. Los nanomateriales, tanto sólidos como fluidos, están habilitando el desarrollo de nuevos productos, incluidos sensores compactos que pueden incorporarse a una amplia variedad de dispositivos. Sin embargo, esto también impulsa la necesidad de poder detectar a escala nanométrica, como cuando se realizan mediciones de cambios de temperatura.
Los dispositivos de medición compactos, como los termopares de alambre desnudo de calibre fino, ofrecen la posibilidad de mejorar tanto la densidad como la calidad de los datos recopilados. La reducción del tamaño del termopar proporciona una respuesta más rápida, reduce el impacto en el fenómeno que se está estudiando y permite incorporar más dispositivos de este tipo en un área determinada. Con los fondos federales que apoyan el trabajo en nanotecnología, se garantiza el crecimiento continuo de las aplicaciones de medición a nanoescala.
¿Qué es un calentador de inmersión? Tipo de elementos calefactores de inmersión ¿Qué es un calentador de inmersión?
¿Qué es un calentador eléctrico industrial? ¿Qué es un calentador industrial?