Sensores de gas basados en nanopartículas de WO3, sensibles a H2S temperatura ambiente

Abstract

A comienzos del siglo XIX fueron encontradas las evidencias científicas que demostraron que la materia está compuesta de unidades discretas llamadas átomos. Es probable que este descubrimiento provocado por la naturaleza discreta de la materia haya motivado el control de la estructura de la materia átomo por átomo. Así en la segunda mitad del siglo XIX John Tyndall, Hermann Helmholtz, Lord Rayleigh, James Clerk Maxwell y Albert Einstein fueron algunos de los físicos que empiezan a estudiar sistemáticamente las propiedades colectivas de pequeñas partículas [1-3]. En 1960 Feynman publica un artículo denominado lThere ’s plenty of room at the bottom'’ donde discute las ventajas que podría tener tal control sobre la estructura de la materia [4]. Él indica que, si un bit de información se puede grabar con solamente 100 átomos, entonces toda la enciclopedia británica se podría grabar en un cubo de 0.02 pulgadas de_=arista. Así mismo Ryogo Kubo concluye que los electrones en los metales de partículas ultrafinas no obedecerían la estadística de Fermi-Dirac, porque el número de electrones es pequeño, también muestra que para partículas metálicas menores de 10 nm es difícil que ganen o pierdan electrones, estas partículas tienen una fuerte tendencia a mantenerse eléctricamente neutras afectando de esta manera parámetros físicos como el calor especifico, magnetización y superconductividad [5]. Nosotros usamos la definición convencional de nanopartículas como partículas que tienen una longitud característica menor a 50 nm. Esta escala de longitud puede ser el diámetro de una partícula, tamaño de grano, espesor de una capa, o el ancho de una línea de conducción sobre un chip electrónico. Las nanopartículas ofrecen nuevas e interesantes propiedades que difieren de las partículas de mayor tamaño como son [6]: una gran área superficial respecto del volumen, un aumento en el número de átomos sobre la interfase de partículas, aumento en la tensión superficial y efectos de confinamiento electrónico, las propiedades ondulatorias de los electrones dentro de la materia son afectada por las variaciones de forma y volumen en la escala nanométrica. Efectos cuánticos son significativos para estructuras menores de 10 nm y ello se manifiesta frecuentemente a temperatura ambiente [l]. En nanopartículas el camino libre medio de los electrones de conducción excede el diámetro de partícula, niveles discretos de energía pueden ser encontrados en sistemas coloidales de partículas metálicas donde partículas adyacentes están separados por barreras aislantes. Estos son algunos de los efectos que se manifiestan cada vez que el tamaño de partícula es reducido a escala nanométrica. Monitoreo del medio ambiente es requerido para proteger al hombre y su medio, de contaminantes tóxicos y agentes patógenos que pueden estar libres en una variedad de medios incluyendo el aire, suelo y agua. Gases tóxicos y contaminantes incluyen al SO2, CO, NO2 y compuestos volátiles orgánicos, los cuales emanan de automóviles, refinerías y de procesos industriales. La Agencia internacional de protección del medio ambiente tiene una regulación estricta sobre mucho de los contaminantes ambientales en aire y agua. Sin embargo, métodos corrientes de monitoreo son costosos, toman demasiado tiempo y existen limitaciones de preparación de muestras y análisis. Wilson [7] reporta que más del 80% de los costos es atribuido al análisis de laboratorio (toma de muestra, transporte, preservación y análisis), el cual puede tomar varios días. Claramente... puede verse que existe una necesidad de monitoreo del medio ambiente por largo tiempo y de bajo costo, usando sensores que puedan ser operados ‘in situ’ en el lugar del problema. En este sentido, una importante estrategia es la optimización de materiales nanoestructurados en orden a mejorar las características de los sensores de gas, especialmente por el uso de partículas ultrafinas (nanopartículas). El uso de materiales con tamaño promedio de partículas por bajo de 50 nm mejora significativamente las propiedades del sensor de gas [8], basándose en las siguientes razones: i) Tienen una gran área superficial activa, lo cual mejora la sensibilidad de los sensores ii) Un corto tiempo respuesta es esperado propio al corto camino de difusión y rápida difusión en los bordes de grano iii) La longitud de la región de carga espacial puede abarcar toda la partícula, dejándola completamente agotada de electrones libres, aumentando su sensibilidad iv) Las bajas temperaturas de fabricación con fases meta-estables mejoran las propiedades de sensado así como su selectividad. El uso de nanopartículas de WO3 mejora los requerimientos para el uso inmediato de dispositivos de control del medio ambiente, tal como es reportado en este trabajo de tesis.