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Resistencia química

Esquema simplificado de un sensor quimiorresistivo de un solo espacio. (no está a escala)

Un quimiorresistor es un material que cambia su resistencia eléctrica en respuesta a cambios en el entorno químico cercano. [1] Los quimiorresistores son una clase de sensores químicos que dependen de la interacción química directa entre el material sensor y el analito. [2] El material sensor y el analito pueden interactuar mediante enlaces covalentes , enlaces de hidrógeno o reconocimiento molecular . Varios materiales diferentes tienen propiedades de quimiorresistor: óxidos metálicos semiconductores , algunos polímeros conductores , [3] y nanomateriales como grafeno , nanotubos de carbono y nanopartículas . Normalmente, estos materiales se utilizan como sensores parcialmente selectivos en dispositivos como lenguas electrónicas o narices electrónicas .

Un quimiorresistor básico consiste en un material sensor que cubre el espacio entre dos electrodos o recubre un conjunto de electrodos interdigitados . La resistencia entre los electrodos se puede medir fácilmente . El material sensor tiene una resistencia inherente que se puede modular por la presencia o ausencia del analito. Durante la exposición, los analitos interactúan con el material sensor. Estas interacciones provocan cambios en la lectura de la resistencia. En algunos quimiorresistores, los cambios de resistencia simplemente indican la presencia de analito. En otros, los cambios de resistencia son proporcionales a la cantidad de analito presente; esto permite medir la cantidad de analito presente.

Historia

Ya en 1965 se han publicado informes sobre materiales semiconductores que presentan conductividades eléctricas que se ven fuertemente afectadas por los gases y vapores ambientales. [4] [5] [6] Sin embargo, no fue hasta 1985 que Wohltjen y Snow acuñaron el término quimiorresistor . [7] El material quimiorresistivo que investigaron fue la ftalocianina de cobre , y demostraron que su resistividad disminuía en presencia de vapor de amoníaco a temperatura ambiente. [7]

En los últimos años, la tecnología de quimiorresistores se ha utilizado para desarrollar sensores prometedores para muchas aplicaciones, incluidos sensores de polímeros conductores para humo de segunda mano, sensores de nanotubos de carbono para amoníaco gaseoso y sensores de óxido metálico para gas hidrógeno. [2] [8] [9] La capacidad de los quimiorresistores de proporcionar información precisa en tiempo real sobre el medio ambiente a través de pequeños dispositivos que requieren un mínimo de electricidad los convierte en una adición atractiva a la Internet de las cosas . [8]

Tipos de sensores de quimiorresistencia

Una película de TiO2 que detecta oxígeno sobre un electrodo entrelazado. [10]

Arquitecturas de dispositivos

Los quimiorresistores se pueden fabricar recubriendo un electrodo interdigitado con una película fina o utilizando una película fina u otro material de detección para unir el espacio único entre dos electrodos. Los electrodos suelen estar hechos de metales conductores, como el oro y el cromo, que hacen un buen contacto óhmico con las películas finas. [7] En ambas arquitecturas, el material de detección quimiorresistente controla la conductancia entre los dos electrodos; sin embargo, cada arquitectura de dispositivo tiene sus propias ventajas y desventajas.

Los electrodos interdigitados permiten que una mayor cantidad de área de superficie de la película esté en contacto con el electrodo. Esto permite que se realicen más conexiones eléctricas y aumenta la conductividad general del sistema. [7] Los electrodos interdigitados con tamaños de dedo y espaciado de dedo del orden de micrones son difíciles de fabricar y requieren el uso de fotolitografía . [8] Las características más grandes son más fáciles de fabricar y se pueden fabricar utilizando técnicas como la evaporación térmica. Tanto los sistemas de electrodos interdigitados como los de un solo espacio se pueden organizar en paralelo para permitir la detección de múltiples analitos por un dispositivo. [11]

Materiales de detección

Óxidos metálicos semiconductores

Los sensores de resistencia química de óxido metálico se comercializaron por primera vez en 1970 [12] en un detector de monóxido de carbono que utilizaba SnO 2 en polvo . Sin embargo, hay muchos otros óxidos metálicos que tienen propiedades de resistencia química. Los sensores de óxido metálico son principalmente sensores de gas y pueden detectar gases oxidantes y reductores . [2] Esto los hace ideales para su uso en situaciones industriales donde los gases utilizados en la fabricación pueden suponer un riesgo para la seguridad de los trabajadores.

Los sensores fabricados con óxidos metálicos requieren altas temperaturas (200 °C o más) para funcionar porque, para que cambie la resistividad, se debe superar una energía de activación . [2]

Una monocapa de grafeno. [13]

Grafeno

En comparación con otros materiales, los sensores de quimiorresistencia de grafeno son relativamente nuevos, pero han demostrado una excelente sensibilidad. [14] El grafeno es un alótropo del carbono que consiste en una sola capa de grafito . [15] Se ha utilizado en sensores para detectar moléculas en fase de vapor, [16] [17] [18] pH, [19] proteínas, [19] bacterias, [20] y agentes de guerra química simulados. [21] [22]

Nanotubos de carbono

El primer informe publicado sobre el uso de nanotubos como quimiorresistores se realizó en 2000. [23] Desde entonces, se han realizado investigaciones sobre quimiorresistores y transistores de efecto de campo químicamente sensibles fabricados a partir de nanotubos individuales de pared simple , [24] haces de nanotubos de pared simple, [25] [26] haces de nanotubos de paredes múltiples , [27] [28] y mezclas de nanotubos de carbono y polímeros. [29] [30] [31] [32] Se ha demostrado que una especie química puede alterar la resistencia de un haz de nanotubos de carbono de pared simple a través de múltiples mecanismos.

Los nanotubos de carbono son materiales de detección útiles porque tienen límites de detección bajos y tiempos de respuesta rápidos; sin embargo, los sensores de nanotubos de carbono desnudos no son muy selectivos. [2] Pueden responder a la presencia de muchos gases diferentes, desde amoníaco gaseoso hasta humos diésel. [2] [9] Los sensores de nanotubos de carbono se pueden hacer más selectivos utilizando un polímero como barrera, dopando los nanotubos con heteroátomos o agregando grupos funcionales a la superficie de los nanotubos. [2] [9]

Electrodos circulares interdigitados con y sin película de quimiorresistencia de nanopartículas de oro

.

Nanopartículas

Se han incorporado muchas nanopartículas diferentes de tamaño, estructura y composición variables en sensores de quimiorresistencia. [33] [34] Las más utilizadas son películas delgadas de nanopartículas de oro recubiertas con monocapas autoensambladas (SAM) de moléculas orgánicas. [35] [36] [37] [38] [39] La SAM es fundamental para definir algunas de las propiedades del conjunto de nanopartículas. En primer lugar, la estabilidad de las nanopartículas de oro depende de la integridad de la SAM, que evita que se sintericen juntas. [40] En segundo lugar, la SAM de las moléculas orgánicas define la separación entre las nanopartículas, por ejemplo, las moléculas más largas hacen que las nanopartículas tengan una separación promedio más amplia. [41] El ancho de esta separación define la barrera que los electrones deben atravesar cuando se aplica un voltaje y fluye una corriente eléctrica. Por lo tanto, al definir la distancia promedio entre nanopartículas individuales, la SAM también define la resistividad eléctrica del conjunto de nanopartículas. [42] [43] [44] Finalmente, los SAM forman una matriz alrededor de las nanopartículas en las que las especies químicas pueden difundirse . A medida que nuevas especies químicas entran en la matriz, cambian la separación entre partículas, lo que a su vez afecta la resistencia eléctrica. [45] [46] Los analitos se difunden en los SAM en proporciones definidas por su coeficiente de partición y esto caracteriza la selectividad y sensibilidad del material del quimiorresistor. [41] [47]

Polimerización de un polímero alrededor de una molécula objetivo que luego se elimina dejando cavidades moldeadas.

Polímeros conductores

Los polímeros conductores como la polianilina y el polipirrol se pueden utilizar como materiales de detección cuando el objetivo interactúa directamente con la cadena de polímero, lo que da como resultado un cambio en la conductividad del polímero. [8] [48] Estos tipos de sistemas carecen de selectividad debido a la amplia gama de moléculas objetivo que pueden interactuar con el polímero. Los polímeros con impronta molecular pueden agregar selectividad a los quimiorresistores de polímeros conductores. [49] Un polímero con impronta molecular se fabrica polimerizando un polímero alrededor de una molécula objetivo y luego retirando la molécula objetivo del polímero dejando atrás cavidades que coinciden con el tamaño y la forma de la molécula objetivo. [48] [49] La impronta molecular del polímero conductor aumenta la sensibilidad del quimiorresistor al seleccionar el tamaño y la forma generales del objetivo, así como su capacidad para interactuar con la cadena del polímero conductor. [49]

Referencias

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Véase también