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En el futuro, los dispositivos diminutos seguirán modificando nuestro mundo, como los nanoalambres de silicio, que permitirán identificar en el ambiente algún tipo de gas altamente nocivo para la salud.

“La idea es que estos dispositivos se coloquen en lugares donde puedan concentrarse gases nocivos para el ser humano, desde una habitación hasta fábricas donde se manejen gases tóxicos, de hecho, podrían estar también en diferentes partes de la ciudad”, afirma el investigador del Instituto de Física Luis Antonio Pérez.

Él, junto con los investigadores del Instituto Politécnico Nacional, Álvaro Miranda, Francisco de Santiago y Miguel Cruz-Irisson publicaron recientemente en la revista Sensors and Actuators B un artículo titulado: "Silicon nanowires as potential gas sensors: A density functional study", en el que abordan el estudio de nanoestructuras o nanoalambres de silicio como sensores de diferentes tipos de gases nocivos, aportando una herramienta para identificar estos contaminantes ambientales.

El trabajo consistió en un estudio teórico de la adsorción de diferentes gases nocivos para el ser humano en nanoalambres de silicio hidrogenados, en particular, cómo cambian las propiedades físicas de los nanoalambres cuando adsorben las moléculas de algunos gases con el objetivo de discernir qué tipo de moléculas hay en el medio ambiente y colocando los nanoalambres semiconductores como sensores de gases.

Las nanoalambres de silicio tienen diámetros del orden de nanómetros y longitudes del orden de micras, y pueden ser sensibles a distintos tipos de gases en el ambiente. ¿Cómo lo hacen? Estos materiales, al adsorber (o atrapar) moléculas en su superficie, cambian sus propiedades electrónicas, y estos cambios pueden medirse. La energía de adsorción o "de amarre" entre estas nanoestructuras y las moléculas puede ser tan grande que las partículas adsorbidas no pueden ser despegadas por medio de la energía térmica del ambiente, lo cual daría lugar a sensores desechables.

La idea de proponer a los nanoalambres como sensores surgió cuando Álvaro Miranda, actual investigador de nanociencia en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Electrónica (ESIME) del IPN, propuso durante su posdoctorado bajo la supervisión de Luis Antonio Pérez en 2013, estudiar las propiedades físicas de estos nanoalambres.

Ese trabajo fue el inicio de lo que se concretaría con este artículo, producto de la colaboración entre Pérez y Miranda e investigadores del IPN.

A detectar contaminantes ambientales

El investigador Luis Antonio Pérez explica que cada gas adsorbido cambia el valor de la llamada brecha de energía del nanoalambre semiconductor de una manera específica, tal como si fuera una huella única. El nanoalambre puede ser capaz de identificar cada gas porque estaría conectado a un circuito eléctrico que detecta dichos cambios en la brecha de energía.

En esta propuesta teórica, los investigadores plantean que los nanoalambres de silicio podrían detectar óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y monóxido de carbono. Este último es un gas generado por la combustión en los motores de automóviles, estufas y sistemas de calefacción, que puede provocar la muerte al respirarse en altas concentraciones.

Otro gas detectable es el monóxido de nitrógeno, un gas que se convierte en lluvia ácida, y que es producido por plantas de energía y automóviles. Y finalmente, también pueden detectar el dióxido de azufre, un gas que provoca colapso circulatorio y es producido por la industria petrolera y la quema del carbón.

Todos estos gases incrementan su concentración de manera considerable en México en tiempos de contingencia ambiental.

Nanoalambres vs nanotubos

Anteriormente se pensó usar nanotubos de carbono como nanosensores de gases pero tienen un obstáculo: es muy difícil controlar su diámetro, quiralidad y longitud durante su fabricación, lo que impide su uso sistemático en la industria. En contraste, existen métodos que permiten un control total de la estructura de los nanoalambres de silicio durante su síntesis.

"De los resultados teóricos obtenidos, se desprende que las nanoestructuras de silicio serían sensores desechables porque se necesita mucha energía para desprender las moléculas de gas adsorbidas, y por ser dispositivos nanométricos saldría más barato usar uno nuevo que intentar reusar el mismo dispositivo”, explica Luis A. Pérez a Noticias IFUNAM.

Los nanoalambres semiconductores de silicio en principio funcionarían sólo como detección, dice el investigador. “Por ejemplo, servirían sólo para conocer si algún tipo de gas está presente en un lugar y poder desalojar a la gente en riesgo”, así se podría evitar la exposición de las personas a dichos gases tóxicos dentro de lugares específicos.

¿Qué tan lejos estamos de hacerlo realidad? "Actualmente mucha gente sabe sintetizar nanoalambres de silicio sin problema y con mucho control, así que no es difícil que puedan implementarse como sensores en la industria, no le veo ningún pero”, finaliza Luis Antonio Pérez.