Posible uso de una superficie de grafeno modificada para un sensor de monóxido de carbono

En la actualidad, el grafeno (Figura 1) se ha abierto camino en numerosas ramas de la ciencia, tales como física, medicina, informática, electrónica, bioprocesos, ambiental, entre otras. Se trata de un material nuevo e innovador con múltiples aplicaciones. Ha sido utilizado para crear materiales ultraligeros, baterías con mayor duración de carga, en el tratamiento de aguas residuales, entre otras aplicaciones.

Sin embargo, es importante considerar también el estudio de superficies basadas en grafeno como posibles sensores para detectar diversos gases de efecto invernadero y tóxicos, lo anterior debido a la escasez de defectos y bajo ruido del grafeno. En este artículo explicamos la importancia de una superficie de grafeno modificada para la detección de monóxido de carbono.

Figura 1. Estructura del grafeno, los círculos en amarillo representan los iones de carbono, las líneas en amarillo son representaciones de los enlaces entre los iones de carbono. Las líneas blancas implican que la estructura se repite en dos dimensiones.

El monóxido de carbono (CO) es un gas altamente tóxico producto de la combustión incompleta de sustancias orgánicas. A dosis altas, por ejemplo, puede provocar paro respiratorio, convulsiones o incluso la muerte. Por la razón anterior la OSHA (The Occupational Safety and Health Administration) ha limitado la concentración de CO a menos de 50 ppm (ppm=partes por millón) para exposición prolongada.

Por lo anterior, es muy importante poder desarrollar sensores de CO para detectar bajas concentraciones y con esto evitar posibles riesgos a la salud humana. Por otro lado, es importante comentar que los sensores, de forma general, captan variaciones en magnitudes físicas como, por ejemplo, variaciones de luz, temperatura, entre otros, y responden ante estas variaciones.

Hablemos entonces de sensores químicos que relacionan variaciones en ciertas propiedades físicas asociadas a la presencia o no de átomos o moléculas. La conductividad eléctrica es una propiedad física que ha sido utilizada para desarrollar sensores basados en grafeno. Se ha propuesto al grafeno como constituyente básico de los sensores debido a sus pocos defectos y poco ruido, es decir pocas perturbaciones eléctricas en el grafeno, que podrían interferir en las señales transmitidas.

El grafeno fue encontrado por primera vez en 2004 y sus descubridores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, ganaron el Premio Nobel de Física en 2010 por sus experimentos relacionados con este material. Es un material con propiedades extraordinarias tanto térmicas, mecánicas y eléctricas debido en gran parte a su estructura de baja dimensionalidad formada por átomos de carbono empaquetados como en un panal de abejas.

El grafeno es un compuesto que ha tenido gran relevancia en las últimas décadas, ya que posee muchas aplicaciones en los diversos campos de la ciencia que causarán un gran impacto en el futuro de la tecnología, física, medicina, materiales, biología y hasta en la industria. Para ello, se han propuesto diversas modificaciones a la estructura original del grafeno con el objetivo de volverlo más sensible a la adsorción de moléculas gaseosas, sobre todo para el caso del CO.

El dopaje es una técnica importante para modificar las propiedades del grafeno, por lo que su propósito es tener un mayor control sobre las características de este material, entre ellas las eléctricas y magnéticas.

Por otro lado, hay evidencia científica de que el grafeno dopado con nitrógeno podría utilizarse para aplicaciones biológicas, creando nuevos biomateriales con propiedades químicas y físicas potencializadas y ventajosas, además de ser adecuado para la implementación de hidrogeles y bio-cerámicas que tendrán un gran impacto en aplicaciones biomédicas.

De la misma forma, se observó que una superficie de grafeno con tres átomos de carbono extraídos de la superficie, experimenta una transición magnética como producto de la adsorción o desorción de CO y, como consecuencia, este material puede ser propuesto como sensor magnético para la detección de este gas tóxico.

Igualmente, el cambio en el magnetismo como producto de la adsorción o desorción de monóxido de carbono puede ser convertido en una señal que podría ser detectada en algún dispositivo, por ejemplo, una interface virtual donde se indique la concentración de CO una vez validado el sensor para el operador.

Es importante comentar que la adsorción de gases sobre diversas superficies y su utilidad hacia la construcción de sensores, es parte de las líneas de investigación de los autores.