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Espectrometría de Masas 2017: Resonadores de disco nanooptomecánicos de alta frecuencia en líquidos - Eduardo Gil Santos - Universidad de París

eduardo gil santos

Las nanoestructuras y micromecánicas vibrantes han sido objeto de una extensa investigación para el desarrollo de sensores de masa ultrasensibles para espectrometría, detección química y análisis biomédico. En resumen, la masa mínima detectable es proporcional a la masa efectiva del resonador y la sensibilidad mejora si se reduce la disipación mecánica. Por lo tanto, la miniaturización del dispositivo y el control de la disipación son cruciales. En los líquidos, las pérdidas de energía son altas y, por lo tanto, la sensibilidad de la masa suele disminuir drásticamente. Para sortear este problema, se proponen estructuras novedosas, como microcanales o microcapilares donde el líquido fluye directamente dentro de los resonadores. Si bien estas estructuras muestran una menor disipación mecánica, difícilmente se miniaturizarán. Aquí demostramos el potencial de los resonadores de disco nano-optomecánicos durante este contexto, especialmente los que se especializan en modos de respiración radial de alta frecuencia de esas estructuras. Los discos mecánicos semiconductores en miniatura, con su alto Q mecánico incluso en el aire (>103), su baja masa (pg) y su alta frecuencia mecánica (GHz), presentan claras ventajas para las aplicaciones de detección de masas. Sin embargo, hasta ahora no han sido operados en líquidos. Aquí, investigamos experimental, numérica y analíticamente la interacción de tales resonadores de disco vibrante con líquidos arbitrarios, y proponemos modelos tanto para el cambio de frecuencia como para la disipación de sus modos mecánicos. Los resonadores de disco nano-optomecánico finalmente emergen como sondas de información reológica de sensibilidad y velocidad sin precedentes, abriendo aplicaciones en la detección de alta frecuencia y la ciencia fundamental

 El desarrollo de sensores de masa ultrasensibles para aplicaciones biológicas como la detección temprana de enfermedades ha generado recientemente un gran esfuerzo. En este contexto, los resonadores micro y nanomecánicos con baja masa de inercia aparecen como una tecnología clave, como lo demuestra su capacidad para detectar átomos individuales en el vacío. En resumen, la masa mínima detectable es proporcional a la masa efectiva del resonador y la sensibilidad mejora si se reduce la disipación mecánica. Por lo tanto, la miniaturización del dispositivo y el control de la disipación son cruciales. En líquido -típico de los ambientes biológicos-, las pérdidas de energía son elevadas y por tanto la sensibilidad de la masa disminuye drásticamente. Además, la amortiguación viscosa en un líquido también aumenta cuando se miniaturizan dispositivos mecánicos estándar, como voladizos o membranas.

 Para sortear estos problemas, se han desarrollado nuevas estructuras y técnicas. Un enfoque eficiente es utilizar voladizos de microcanales vibrantes donde el líquido fluye directamente dentro del resonador para reducir la disipación inducida. Los microcapilares de fibra también adoptan este enfoque con una detección óptica más integrada. Dado que ambos tipos de dispositivos necesitan incrustar canales fluídicos, su tamaño varía de unas pocas decenas a unos pocos cientos de micrones, lo que lleva a masas por encima del nanogramo y frecuencias mecánicas como máximo en el rango de MHz. Estos dispositivos de canal difícilmente pueden miniaturizarse a nanoescala. Se han investigado otras geometrías, incluido el caso de un resonador parcialmente sumergido, que enfrenta limitaciones de tamaño similares y ha demostrado capacidades de integración más bajas.