Una nueva tecnología que habilita la autocalibración en máquinas diminutas llamadas "sistemas electromecánicos microscópicos", podría hacer el desarrollo de sensores de excelente exactitud y precisión, útiles tanto para la investigación policial forense como para la comprobación medioambiental y los diagnósticos médicos. La innovación podría permitirles a los investigadores científicos crear dispositivos tales como una "nariz-en-un-astilla", para rastrear a sospechosos delictivos, o bien sensores para identificar peligrosas substancias sólidas ó gaseosas, así como tambien una nueva clase de herramientas de  laboratorio para especialistas que trabajan en nanotecnologia y biotecnología.

Al respecto, Jason Vaughn Clark, profesor auxiliar en las carreras de ingeniería eléctrica, informática y mecánica en la Purdue University, explica: "Los investigadores han utilizado variadas técnicas para calibrar la fuerza y el movimiento de objetos  diminutos, que contienen componentes tan pequeños que  tienen que ser medidos en una balanza de micrómetros o nanómetros, a razon de millonésimas o billonésimas de un metro, respectivamente. Sin embargo, la exactitud de las técnicas convencionales de medición está evaluada negativamente en 10 por ciento o más debido a sus incertidumbres inherentes",

"En el mundo macroscópico cotidiano, nosotros podemos medir distancia y masa con precisión porque tenemos las normas muy conocidas como medidas o pesos que acostumbramos a calibrar dispositivos que miden distancias o fuerzas -destaca Clark- Pero para el mundo microscópico ó nanoscópico, no ha habido ninguna norma ni ninguna manera práctica para medir distancias o fuerzas muchísimo más pequeñas".

El trabajo que se desarrolló en el Birck Nanotechnology Center del Parque del Purdue's Discovery Park, detalló los resultados de su investigación en la reunión de junio de la Society of Experimental Mechanics en Indianapolis y en la Conferencia y Exposición Nanotech 2010 en Anaheim, California.

En este sentido, los sistemas electromecánicos microscópicos, o MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), están enfocados para un amplio conjunto de aplicaciones de alta tecnología. "Los investigadores han utilizado variadas técnicas para calibrar la fuerza y el movimiento de objetos  diminutos, que contienen componentes tan pequeños que  tienen que ser medidos en una balanza de micrómetros o nanómetros, a razon de millonésimas o billonésimas de un metro, respectivamente. Sin embargo, la exactitud de las técnicas convencionales de medición está evaluada negativamente en 10 por ciento o más debido a sus incertidumbres inherentes", de acuerdo a lo señalado por Jason Vaughn Clark, agregando que: "Y debido a las variaciones del proceso dentro de la fabricación, no hay dos microestructuras con las mismas propiedades geométricas y materiales". Estas variaciones pequeñas en la geometría de la microestructura, la tiesura y masa pueden afectar el desempeño significativamente.

"Un 10 por ciento de cambio en la anchura puede causar un 100 cambio por ciento en la tiesura de un microestructura," destaca el referido investigador académico "Las variaciones del proceso hacen difícil para los investigadores predecir la actuación de MEMS con precisión".

La nueva tecnología creada por Jason Vaughn Clark, llamada electro metrología microscópica (EMM, electro micro metrology), está permitiéndoles a los ingenieros que consideren para las variaciones de un proceso determinando el movimiento preciso y la fuerza que están aplicándose, o que se está monitoreando por medio de un dispositivo MEMS. El investigador explica que: "Para la primera vez, MEMS puede mismo autocalibrarse sin cualquier referencia externa. Es decir, nuestros MEMS pueden determinar sus únicas propiedades de trabajo  mecánicas. Y una vez hecho esto, se vuelven sensores muy exactos", dice Clark. Están usándose los giroscopios y los acelerómetros MEMS actualmente en productos comerciales tales como el Nintendo Wii, los iPhone, los robots que caminan y en las bolsas de aire de seguridad colocadas en los automóviles".

El grupo de investigación liderado por Clark ha fabricado y probado la primera generación de dispositivos autocalibradores MEMS, y repetidos resultados han mostrado la presencia de fuerzas    Casimir and van der Waals, gracias a una investigación patrocinada por la National Science Foundation, de Estados Unidos.

"Esos dispositivos MEMS trabajan bien porque no necesitan precisión muy exacta. Es difícil para la tecnología convencional medir fuerzas muy pequeñas con precisión, como la fuerza van der Waals entre moléculas, ó un fenómeno llamado efecto casimir, que posible debido a partículas que hacen estallar por todas partes en el universo. Estas fuerzas son medidas en piconewtons. Uno de éstos tiene la trillonésima parte del peso de una manzana mediana".

El citado académico de la Purdue University ha dicho también que: "Si nosotros estamos intentando investigar o aprovechar los fenómenos a picoescala, como las fuerzas de efecto Casimir, o la fuerza van der Waals, las fuerzas de atadura del hidrógeno en ADN, el almacenamiento de datos en alta densidad ó incluso los nanoensambles, necesitamos precisión mucho más alta y una exactitud que los métodos convencionales no proporcionan. Con las herramientas convencionales, sabemos que nos estamos dándo cuenta de algo, pero sin las dimensiones exactas, es difícil de entender completamente los fenómenos, repetir los experimentos y crear modelos predictivos".

Según Clark, la autocalibración también se necesita porque podrían exponerse los microdispositivos en  ambientes ásperos o podrían permanecer inactivos por periodos largos de tiempo. "Póngase en el caso de que se tiene un sensor MEMS en una sonda espacial. Usted lo quiere capaz de poder despertarse y recalibrarse para considerar cambios que son el resultado de las diferencias de temperatura, los cambios en el gas ó el ambiente líquido, u otras condiciones que podrían afectar sus propiedades. Aqui es cuando la tecnología de la autocalibración se necesita". EMM define las propiedades mecánicas solamente por lo que se refiere a dimensiones eléctricas que es diferente de los métodos convencionales.

Por ejemplo, midiendo los cambios en una propiedad electrónica llamada capacitancia, ó el almacenamiento de carga eléctrica, Clark ha dicho que puede obtener la forma de la microestructura, la tiesura, fuerza ó desplazamiento con una precisa exactitud. "Podemos medir la capacitancia más precisamente de lo que podemos medir alguna otra cantidad para ajustar. Eso significa que usando MEMS nosotros podríamos medir potencialmente en forma más precisa ciertos fenómenos mecánicos, de lo que pudimos al usar herramientas de medición de medida de macroescala convencional", destaca Clark.

El investigador empleará este nuevo acercamiento para mejorar la exactitud de instrumentos llamada microscopios de fuerza atómicos, que se usan por parte de nanotecnologistas. "El microscopio de fuerza atómico, que dió el salto inicial a la revolución de la nanotecnologia, se usa a menudo para investigar desplazamientos pequeños y fuerzas. Pero el operador de esta herramienta no puede decir precisamente o darse cuenta de la fuerza más allá de un o dos dígitos significativos. Y el operador típico sabe menos incluso sobre la verdadera exactitud de sus dimensiones".

En Purdue se opera aproximadamente 30 microscopios de fuerza atómicos, y el grupo de investigación de Clark está planeando enseñarles a dichos operadores cómo calibrar sus instrumentos usando el MEMS autocalibrador. Él también planea usar su nuevo enfoque, para crear un autocalibrador en miniatura, disminuyendo dramáticamente el tamaño y costo del instrumental del laboratorio. "Semejante cosa debe abrir la puerta del nanomundo, a un número mucho más grande de grupos de interés", según  ha dicho Clark. Su correo electrónico es jvclark @ purdue . edu

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