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(Foco Nanowerk) Nuestra respiración puede revelar mucho sobre nuestra salud. Pequeñas moléculas en el aire exhalado proporcionan pistas sobre todo, desde enfermedades pulmonares hasta diabetes. Por eso los investigadores se esfuerzan por desarrollar sensores respiratorios cada vez más sensibles que sean capaces de detectar con precisión compuestos reveladores. Ahora los científicos informan sobre un nuevo tipo de sensor electrónico orgánico que aprovecha las propiedades únicas de la seda para lograr una sensibilidad y velocidad sin precedentes.
El nuevo dispositivo se describe en un artículo publicado en Materiales avanzados (“Mecanismo de activación bimodal en transistores híbridos de película delgada basados en interfaces de biopolímeros a nanoescala reconfigurables dinámicamente”) es una creación de un equipo de la Universidad de Tufts dirigido por Fiorenzo Omenetto. Durante años, el laboratorio de Omenetto ha sido pionero en técnicas para controlar y modelar la fibroína de seda, la proteína estructural que confiere a la seda sus notables propiedades.
Combinando la seda con la tecnología tradicional de semiconductores, los investigadores han creado un transistor flexible que puede cambiar entre dos modos de funcionamiento simplemente absorbiendo la humedad del aliento.
La clave está en capas de biopolímero de apenas unos pocos nanómetros de espesor. «Podemos controlar el espesor de estas películas de seda hasta la nanoescala», explica Omenetto. Esto permite a los investigadores optimizar la forma en que el material interactúa con las moléculas de agua. Los transistores se basan en IGZO, un óxido semiconductor versátil que también se utiliza comercialmente en pantallas planas.
Cuando el dispositivo está seco, capas de seda de sólo 3 a 5 nanómetros de espesor se asientan pasivamente sobre el IGZO, lo que permite que el transistor, llamado «FET de seda» por los investigadores, funcione mediante la física de semiconductores tradicional. Sin embargo, cuando el FET de seda absorbe humedad, sus propiedades cambian radicalmente.
El agua permite que los iones positivos y negativos se alineen en las interfaces de la seda, formando las llamadas capas dobles eléctricas con papeles apilados eléctricamente como las placas de un nanocondensador. Esto permite un modo de operación completamente diferente llamado Electrolyte Gating, que produce hasta un millón de veces más corriente cuando se enciende el transistor. Incluso la más mínima cantidad de agua es suficiente para activar el interruptor. Los científicos atribuyen este modo de activación dual únicamente a la presencia de moléculas de agua.
La capacidad de cambiar entre los dos modos simplemente registrando rastros de agua en el aire respirable crea un sensor extremadamente sensible. Cuando alguien exhala en el dispositivo, la corriente aumenta en solo 30 milisegundos a medida que el vapor de agua activa la función de puerta del electrolito. Cuando se inhala aire seco, el transistor vuelve al funcionamiento normal después de 300 ms. Esta rápida respuesta permite que el sensor rastree con precisión cada inhalación y exhalación durante múltiples ciclos de respiración.
El equipo de Omenetto utilizó esta capacidad para desarrollar un monitor respiratorio rápido y altamente sensible. Los patrones respiratorios anormales se han relacionado con afecciones como la apnea del sueño, el asma e incluso problemas cardíacos. Pero la mayoría de los sensores van a la zaga del ritmo de cada respiración. «Nuestros dispositivos pueden rastrear con precisión la dinámica respiratoria, gracias a tiempos de respuesta que superan el estado actual de la técnica», dice Omenetto.
Su grupo integró una serie de transistores de seda en una mascarilla quirúrgica para demostrar cómo su creación podría monitorear la frecuencia respiratoria en tiempo real, incluso cuando el usuario habla o se mueve. La sensibilidad del dispositivo podría optimizarse aún más introduciendo compuestos en la matriz de la película de seda que respondan a biomoléculas específicas en cada exhalación.
La obra destaca la versatilidad de la seda como material de alta tecnología. «Podemos desarrollar las propiedades a nanoescala de las películas de seda e integrarlas perfectamente en la electrónica tradicional», explica Omenetto.
La seda ligera, flexible y biocompatible podría complementar los chips de silicio rígidos o los electrodos metálicos en la bioelectrónica de próxima generación. Los investigadores dicen que sus transistores podrían tener aplicaciones en todo, desde diagnóstico hasta robótica blanda. Sin embargo, Omenetto destaca que la seda todavía tiene mucho que enseñarnos. «Esto ofrece una nueva perspectiva sobre el potencial de las nanointerfaces electrónicas biohíbridas basadas en seda», afirma.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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