Por Adán Zewe
Los espectrómetros de masas, dispositivos que identifican sustancias químicas, se utilizan ampliamente en aplicaciones como análisis de escenas de crímenes, pruebas toxicológicas y estudios geológicos. Pero estas máquinas son voluminosas, costosas y fáciles de dañar, lo que limita dónde pueden implementarse de manera efectiva.
Utilizando la fabricación aditiva, los investigadores del MIT produjeron un filtro de masas, que es el componente central de un espectrómetro de masas, que es mucho más ligero y económico que el mismo tipo de filtro fabricado con técnicas y materiales tradicionales.
Su filtro miniaturizado, conocido como cuadrupolo, se puede fabricar completamente en cuestión de horas y por unos pocos dólares. El dispositivo impreso en 3D es tan preciso como algunos filtros de masa de calidad comercial que pueden costar más de 100.000 dólares y tardar semanas en fabricarse.
Construido con resina vitrocerámica duradera y resistente al calor, el filtro se imprime en 3D en un solo paso, por lo que no requiere ensamblaje. El montaje suele introducir defectos que pueden obstaculizar el rendimiento de los cuadrupolos.
Este cuadrupolo liviano, económico pero preciso es un paso importante en la búsqueda de 20 años de Luis Fernando Velásquez-García para producir un espectrómetro de masas portátil impreso en 3D.
Por ejemplo, un científico podría llevar un espectrómetro de masas portátil a áreas remotas de la selva tropical y usarlo para analizar rápidamente contaminantes potenciales sin enviar muestras al laboratorio. Y un dispositivo liviano sería más barato y más fácil de enviar al espacio, donde podría monitorear sustancias químicas en la atmósfera de la Tierra o en las de planetas distantes.
A Velásquez-García se unen en el artículo el autor principal Colin Eckhoff, estudiante de posgrado del MIT en ingeniería eléctrica e informática (EECS); Nicholas Lubinsky, ex postdoctorado del MIT; y Luke Metzler y Randall Pedder de Ardara Technologies. La investigación se publica en Advanced Science.
En el corazón de un espectrómetro de masas se encuentra el filtro de masas. Este componente utiliza campos eléctricos o magnéticos para clasificar las partículas cargadas según su relación masa-carga. De esta forma, el dispositivo puede medir los componentes químicos de una muestra para identificar una sustancia desconocida.
Un cuadrupolo, un tipo común de filtro de masas, se compone de cuatro varillas metálicas que rodean un eje. Se aplican tensiones a las varillas, que producen un campo electromagnético. Dependiendo de las propiedades del campo electromagnético, los iones con una relación masa-carga específica girarán por el centro del filtro, mientras que otras partículas escaparán por los lados. Al variar la combinación de voltajes, se pueden apuntar a iones con diferentes relaciones masa-carga.
Si bien su diseño es bastante simple, un cuadrupolo típico de acero inoxidable puede pesar varios kilogramos. Pero miniaturizar un cuadrupolo no es una tarea fácil. Hacer el filtro más pequeño suele introducir errores durante el proceso de fabricación. Además, los filtros más pequeños recogen menos iones, lo que hace que el análisis químico sea menos sensible.
Su equipo equilibró esta compensación aprovechando la fabricación aditiva para fabricar cuadrupolos miniaturizados con el tamaño y la forma ideales para maximizar la precisión y la sensibilidad.
Fabrican el filtro a partir de una resina vitrocerámica, que es un material imprimible relativamente nuevo que puede soportar temperaturas de hasta 900 grados Celsius y funciona bien en el vacío.
El dispositivo se produce mediante fotopolimerización en tina, un proceso en el que un pistón empuja una tina de resina líquida hasta que casi toca una serie de LED en el fondo. Estos se iluminan, curando la resina que queda en el minúsculo espacio entre el pistón y los LED. Luego se pega una pequeña capa de polímero curado al pistón, que se eleva y repite el ciclo, construyendo el dispositivo una pequeña capa a la vez.
Dado que la impresora 3D puede formar prácticamente cualquier forma, los investigadores diseñaron un cuadrupolo con varillas hiperbólicas. Esta forma es ideal para el filtrado masivo pero difícil de realizar con métodos convencionales. Muchos filtros comerciales emplean varillas redondeadas, lo que puede reducir el rendimiento.
También imprimieron una intrincada red de celosías triangulares que rodean las varillas, lo que proporciona durabilidad y al mismo tiempo garantiza que las varillas permanezcan en la posición correcta si el dispositivo se mueve o se sacude.
Para terminar el cuadrupolo, los investigadores utilizaron una técnica llamada revestimiento no electrolítico para recubrir las varillas con una fina película metálica, lo que las hace eléctricamente conductoras. Cubren todo menos las varillas con un producto químico enmascarador y luego sumergen el cuadrupolo en un baño químico calentado a una temperatura y condiciones de agitación precisas. Esto deposita una fina película metálica sobre las varillas de manera uniforme sin dañar el resto del dispositivo ni provocar cortocircuitos en las varillas.
Para probar sus cuadrupolos impresos en 3D, el equipo los intercambió por un sistema comercial y descubrió que podían alcanzar resoluciones más altas que otros tipos de filtros en miniatura. Sus cuadrupolos, de unos 12 centímetros de longitud, tienen una cuarta parte de la densidad de los filtros comparables de acero inoxidable.
Además, otros experimentos sugieren que sus cuadrupolos impresos en 3D podrían alcanzar una precisión comparable a la de los filtros comerciales a gran escala.
En el futuro, los investigadores planean mejorar el rendimiento del cuadrupolo alargando los filtros. Un filtro más largo puede permitir mediciones más precisas, ya que más iones que se supone deben filtrarse escaparán a medida que la sustancia química viaja a lo largo de su longitud. También pretenden explorar diferentes materiales cerámicos que podrían transferir mejor el calor.
