El IMB-CNM desarrolla un innovador sensor que cambia de color para la detección de contaminantes en el ambiente

Un sensor que cambia de color podría revolucionar la detección de contaminantes y compuestos orgánicos volátiles (VOCs). Un equipo del Instituto de Microelectrónica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) ha desarrollado un dispositivo basado en polímeros que se curva y altera su color al entrar en contacto con diferentes sustancias, ofreciendo una lectura visual inmediata sin necesidad de complejos sistemas electrónicos. Se trata de un primer desarrollo, publicado recientemente en Advanced Optical Materials, que supone una vía para simplificar el control de la calidad del aire y abre la puerta a aplicaciones en control medioambiental, diagnóstico médico y seguridad industrial.

“Se trata de una tecnología que permite detectar e identificar compuestos volátiles y contaminantes en el ambiente de forma rápida”, indica Mar Álvarez, científica del IMB-CNM que lidera la investigación.

Un sensor mecanocrómico se basa en estímulos mecánicos, como tensión o presión, para cambiar de color. En este caso, el equipo ha fabricado un sensor con forma de voladizo utilizando capas de dos polímeros, moléculas repetidas en cadena, distintos: el polidimetilsiloxano (PDMS) y el tiol-eno-epoxi no estequiométrico (OSTE+). La combinación de los dos polímeros permite una respuesta diferente del sensor debido al cambio de volumen de cada polímero al ser expuesto a los diferentes agentes contaminantes. Además, una de las superficies del voladizo contiene nanoestructuras fotónicas, que descomponen la luz y que le dan un color concreto al sensor. De esta forma, cuando el dispositivo entra en contacto con uno de los compuestos y los polímeros se hinchan, el voladizo se curva, pasando de tener un único color (como puede ser azul) a tener un gradiente de colores a lo largo de la longitud del voladizo. Cuanto mayor es la curvatura, mayor es el gradiente de color, siendo posible llegar a observar todo el espectro de color en el voladizo.

“Estamos hablando de un sensor muy pequeño, de menos de 1 milímetro cuadrado de área, que ha sido microfabricado completamente en el IMB-CNM, y que se integraría en el equipo o dispositivo de control de análisis”, prosigue Álvarez. 

El dispositivo responde al cambio de volumen diferencial de los dos polímeros que lo forman al absorber un compuesto volátil; lo que genera una curvatura y, en consecuencia, el cambio cromático. “Es un sistema pasivo, que no necesita electrónica propia para funcionar”, agrega la investigadora. Para cuantificar la respuesta del sensor e identificar el compuesto a partir del patrón cromático en tiempo real, basta con utilizar una luz blanca y una cámara. Esta detección se puede hacer de forma sencilla, por ejemplo, con un teléfono inteligente. 

Una fabricación innovadora

Actualmente, existen sistemas comerciales muy sensibles capaces de detectar compuestos orgánicos volátiles en el aire, sin embargo, no son capaces de discriminar qué tipo de compuesto es; únicamente detectan la concentración total de VOCs en el ambiente. Además, son dispositivos voluminosos y costosos. El avance que proponen en el IMB-CNM simplifica la detección y discriminación de VOCs, que normalmente necesita de complejas matrices con múltiples sensores que no son capaces de discriminar los diferentes vapores.

“La discriminación es posible gracias a la diferente solubilidad de los dos polímeros en los diferentes compuestos orgánicos”, explica Ferran Pujol, investigador postdoctoral del IMB-CNM y primer autor de la publicación. En este estudio, amplía, “ha sido posible identificar qué parámetros de solubilidad, conocidos como parámetros Hansen (dispersión, enlaces-H y polaridad) gobiernan la dirección de respuesta del sensor dependiendo de cada tipo de compuesto”.

Esto permite que el sensor responda de forma diferente dependiendo del tipo de compuesto, sin que sea necesario añadir matrices bioquímicas complejas o específicas a cada compuesto. 

Los próximos pasos de la investigación incluyen ampliar el abanico de compuestos orgánicos volátiles que se pueden detectar, integrar técnicas de Inteligencia Artificial, que, por su poder de discriminar patrones muy parecidos, permitiría un funcionamiento robusto fuera del laboratorio. También prevén probar el dispositivo en la detección de compuestos orgánicos volátiles presentes en el aliento humano, donde algunos de estos compuestos actúan como biomarcadores de enfermedades y podrían facilitar diagnósticos tempranos o el seguimiento de exposiciones químicas.

_{Artículo de referencia: F. Pujol-Vila, E. Casas-Aguilera, and M. Alvarez, “Competitive Bidirectional Response in Bi-Polymeric Mechanochromic Cantilevers Toward Color Imaging-Based VOC Discrimination.” Adv. Optical Mater. 13, no. 32 (2025): e02088. https://doi.org/10.1002/adom.202502088}