El ‘laboratorio en un chip’ de análisis de luz abre la puerta al uso generalizado de espectrómetros portátiles

Los científicos, incluido un investigador de materiales de la Universidad Estatal de Oregón, han desarrollado una mejor herramienta para medir la luz, contribuyendo a un campo conocido como espectrometría óptica de una manera que podría mejorar todo, desde las cámaras de los teléfonos inteligentes hasta el monitoreo ambiental.

El estudio, publicado hoy en Cienciasfue dirigido por la Universidad Aalto de Finlandia y dio como resultado un espectrómetro ultrapequeño y potente que cabe en un microchip y funciona con inteligencia artificial.

La investigación involucró una clase relativamente nueva de materiales súper delgados conocidos como semiconductores bidimensionales, y el resultado es una prueba de concepto para un espectrómetro que podría incorporarse fácilmente a una variedad de tecnologías, incluidas plataformas de inspección de calidad, sensores de seguridad, biomédica. analizadores y telescopios espaciales.

«Hemos demostrado una forma de construir espectrómetros que son mucho más pequeños que los que se usan normalmente en la actualidad», dijo Ethan Minot, profesor de física en la Facultad de Ciencias de la OSU. «Los espectrómetros miden la fuerza de la luz en diferentes longitudes de onda y son muy útiles en muchas industrias y en todos los campos de la ciencia para identificar muestras y caracterizar materiales».

Los espectrómetros tradicionales requieren componentes ópticos y mecánicos voluminosos, mientras que el nuevo dispositivo podría caber en la punta de un cabello humano, dijo Minot. La nueva investigación sugiere que esos componentes pueden reemplazarse con materiales semiconductores novedosos e IA, lo que permite que los espectrómetros se reduzcan drásticamente en tamaño desde los más pequeños actuales, que tienen aproximadamente el tamaño de una uva.

«Nuestro espectrómetro no requiere ensamblar componentes ópticos y mecánicos separados o diseños de matrices para dispersar y filtrar la luz», dijo Hoon Hahn Yoon, quien dirigió el estudio con su colega de la Universidad Aalto, Zhipei Sun Yoon. «Además, puede lograr una alta resolución comparable a los sistemas de sobremesa, pero en un paquete mucho más pequeño».

El dispositivo es 100% controlable eléctricamente con respecto a los colores de la luz que absorbe, lo que le otorga un gran potencial de escalabilidad y usabilidad generalizada, dicen los investigadores.

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

Esas cámaras hiperespectrales podrían capturar y analizar información no solo de longitudes de onda visibles, sino que también permitirían imágenes y análisis infrarrojos.

«Es emocionante que nuestro espectrómetro abra posibilidades para todo tipo de nuevos dispositivos cotidianos e instrumentos para hacer nueva ciencia 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 el suelo, y cuánto hay allí.

«Sería bueno tener espectrómetros portátiles de bajo costo que hicieran este trabajo por nosotros», dijo. «Y en el entorno educativo, la enseñanza práctica de conceptos científicos sería más efectiva con espectrómetros compactos y económicos».

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

«Si te gusta la astronomía, podrías estar interesado en medir el espectro de luz que recolectas con tu telescopio y que esa información identifique una estrella o un planeta», dijo. «Si la geología es tu pasatiempo, podrías identificar las piedras preciosas midiendo el espectro de luz que absorben».

Minot cree que a medida que avanza el trabajo con semiconductores bidimensionales, «descubriremos rápidamente nuevas formas de utilizar sus nuevas propiedades ópticas y electrónicas». La investigación sobre semiconductores 2D se ha llevado a cabo en serio durante solo una docena de años, comenzando con el estudio del grafeno, el carbono dispuesto en una red de panal con un grosor de un átomo.

«Es realmente emocionante», dijo Minot. «Creo que continuaremos teniendo avances interesantes mediante el estudio de semiconductores bidimensionales».

Además de Minot, Yoon y Sun, la colaboración incluyó a científicos de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, la Universidad de Zhejiang, la Universidad de Sichuan, la Universidad de Yonsei y la Universidad de Cambridge, así como a otros investigadores de la Universidad Aalto.