Un pequeño chip podría ofrecer detección espectral para dispositivos cotidianos

Imaginemos teléfonos inteligentes que puedan diagnosticar enfermedades, detectar medicamentos falsificados o advertir sobre alimentos en mal estado. La detección espectral es una técnica poderosa que identifica materiales analizando cómo interactúan con la luz, revelando detalles mucho más allá de lo que el ojo humano puede ver.

Tradicionalmente, esta tecnología requería sistemas voluminosos y costosos confinados a laboratorios y aplicaciones industriales. Pero ¿qué pasaría si esta capacidad pudiera miniaturizarse para caber dentro de un teléfono inteligente o dispositivo portátil?

Investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia han combinado hardware miniaturizado y algoritmos inteligentes para crear una poderosa herramienta que es compacta, rentable y capaz de resolver problemas del mundo real en áreas como la atención médica, la seguridad alimentaria y la conducción autónoma. La investigación es publicado en el diario Avances científicos.

«Es similar a cómo los artistas entrenan sus ojos para distinguir cientos de colores sutiles», explica el profesor e investigador principal, Zhipei Sun. «Nuestro dispositivo está ‘entrenado’ para reconocer firmas luminosas complejas que son imperceptibles para el ojo humano, logrando un nivel de precisión comparable a los voluminosos sensores que normalmente se encuentran en los laboratorios».

A diferencia de los sensores espectrales tradicionales, que requieren componentes ópticos grandes como prismas o rejillas, este sensor logra una diferenciación espectral a través de sus respuestas eléctricas a la luz, lo que lo hace ideal para su integración en dispositivos pequeños. Los investigadores demostraron su capacidad para identificar materiales directamente a partir de su luminiscencia, incluidos tintes orgánicos, metales, semiconductores y dieléctricos.

«Nuestro innovador enfoque de detección espectral simplifica los desafíos en la identificación de materiales y el análisis de composición», dice Xiaoqi Cui, autor principal del estudio, quien recientemente defendió su tesis doctoral en la Universidad de Aalto. Esta notable innovación combina interfaces optoelectrónicas sintonizables con algoritmos avanzados, lo que abre nuevas posibilidades para aplicaciones en fotónica integrada y más.

Durante su entrenamiento, el dispositivo estuvo expuesto a una amplia gama de colores de luz, lo que le permitió «aprender» y generar huellas eléctricas únicas para cada tipo de luz. Luego, estas huellas dactilares se decodifican mediante un algoritmo inteligente, lo que permite al sensor identificar materiales con precisión y analizar sus propiedades en función de su interacción con la luz.

Con unas medidas de sólo 5 micrómetros por 5 micrómetros (un área 200 veces más pequeña que la sección transversal de un cabello humano), el dispositivo logra una extraordinaria precisión máxima de identificación de longitud de onda de ~0,2 nanómetros, lo que le permite distinguir miles de colores.

En el núcleo de este sensor se encuentra una interfaz optoelectrónica cuidadosamente diseñada que permite un control preciso del flujo eléctrico mediante ajustes de voltaje. Esta excepcional capacidad de ajuste permite que el sensor interactúe con la luz de múltiples formas distintas, produciendo una «fotorrespuesta multidimensional».

«Este trabajo es un gran paso adelante para llevar la identificación espectroscópica al alcance de todos», explica el investigador doctoral y primer autor conjunto, Fedor Nigmatulin. «Al integrar este hardware ultracompacto con algoritmos inteligentes, hemos dado un paso significativo hacia espectrómetros portátiles en miniatura que algún día podrían transformar la electrónica de consumo».

Con su rendimiento innovador, diseño sintonizable y versatilidad, el equipo de investigación espera que este pequeño sensor pronto lleve el poder de la espectroscopia avanzada a los dispositivos que utilizamos todos los días.