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Ingeniería

Minúsculas y notables

El Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón desarrolla micropiezas de gran utilidad en el medio académico y en la industria

Los artefactos que leen el código de barras de los productos en los supermercados, y se esparcen por otros establecimientos comerciales, ahora tendrán un pequeña componente que podrá hacer que se vuelvan más rápidos y eficientes. Accionada por un campo electromagnético, dicha pieza, de un tamaño de 25 milímetros de largo por 12 milímetros de ancho, denominada deflector o escáner, lleva en su interior un producto precioso de un espesor de 70 micrones o 0,07 milímetros de espesor. Es un surco de oro instalado en el centro del rotor, la parte giratoria del escáner que realiza la lectura de las barras impresas en los embalajes. La incorporación de esta innovación ampliará los ejemplos de productos de la tecnología de microfabricación, un segmento que está creciendo en importancia en el actual estadio del desarrollo industrial.

En nuestro día a día, varios ejemplos muestran el potencial de estas micropiezas que siempre permanecen escondidas dentro de equipos mucho mayores si se los compara con éstas, como en las cabezas de picos de impresoras de chorro de tinta, los sistemas portátiles de dosificación de glucosa y los acelerómetros, micromáquinas que accionan el air-bag de los vehículos.”La microtecnología trabaja con dimensiones que van de algunos micrones a algunos centímetros”, explica el profesor Luiz Otávio Saraiva Ferreira, coordinador del Proyecto Multiusuarios de Microfabricación (Musa) del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y mentor del oscilador para lectores de código de barras, un proyecto que recibió financiamiento de la FAPESP.

No tan famosa como su hermana menor, la nanotecnología, ya utilizada en los chips electrónicos, pero aún en fase experimental en varios campos de estudio, la microfabricación, al margen de estar presente en diversos productos, es la esperanza para una amplia gama de actuaciones. Por ejemplo: se perfila para la formulación de microdispositivos de análisis clínicos que funcionarán en un recipiente del tamaño de una caja de fósforos y dispensarán en un futuro no muy lejano a los tradicionales análisis de sangre. Tan solo una gota retirada del dedo del paciente -como actualmente se hace en los análisis rápidos de diabetes- será suficiente para hacer un hemograma ya en el consultorio del médico o junto a la cama de un hospital.

Gana el paciente, que no necesitará ver más una jeringa pinchando su brazo, y gana el médico, que podrá tener el resultado de manera instantánea en la pantalla de su computadora, que estará conectada al microdispositivo de análisis clínico. “Todavía estamos en el comienzo, testeando las enzimas, las interfaces eléctricas y caracterizando los polímeros que se usarán en los microcanales que efectuarán los análisis de sangre”, dice el químico Júlio César Bastos Fernandes, posdoctorando en el LNLS con beca de la FAPESP, que inició en septiembre del año pasado un proyecto de construcción de esos microdispositivos de análisis clínico.

Investigadores convocados
El brazo más famoso de la microfabricación es la microelectrónica, responsable por la producción de chips. Para hacer que el otro brazo de la microfabricación, que produce micropiezas no electrónicas, se haga más famoso y más útil a los investigadores brasileños, y en el futuro a la industria, el Proyecto Musa trabaja para asegurar esa notoriedad. Mediante de rondas anuales de llamados, el grupo convoca a investigadores interesados en micropiezas para diversos experimentos. El propio slogan del Musa define muy bien su función: “Usted lo proyecta, nosotros lo fabricamos y usted lo prueba”.

De esta manera, desde su creación en el LNLS, en 1999, en el marco de un proyecto ideado por el profesor Ferreira, utilizando todavía las instalaciones del Centro de Investigación y Desarrollo (CPqD, sigla en portugués), creado por la antigua Telebras, el Musa ya ha posibilitado la fabricación de microcoladores para limpieza de agua, microductos para el conteo de bacterias presentes en la leche, guías de láser e incluso un microdispositivo que sirve como base para el crecimiento de neuronas en investigaciones de laboratorio. Además del soporte del LNLS, el Musa recibe apoyo de la FAPESP, del Centro de Investigaciones Renato Archer (Cenpra), de la antigua fundación Centro Tecnológico para la Informática (CTI) y del Centro de Componentes Semiconductores (CCS) de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp).

Alta velocidad
El experimento que está más cerca de llegar al mercado es precisamente el del profesor Ferreira. Con la colaboración de su alumno de maestría Pedro Ricardo Barbaroto, del CCS de la Unicamp, Ferreira finaliza el deflector de haces de luz que se mueve por inducción electromagnética y efectúa la barredura del código de barras. Fabricado con un monocristal de silicio, este nuevo dispositivo tiene una resistencia mecánica mayor que la del acero de resortes, con un costo menor y mejor desempeño que los equipos utilizados actualmente. La velocidad del nuevo dispositivo, si se la compara con la de los actuales, es también un factor favorable. La misma puede oscilar 1.300 veces por segundo, mientras que los aparatos existentes en el mercado no pueden oscilar más de 30 veces sin riesgo de engañarse en la lectura.

“Ya hemos patentado el principio de accionamiento del mecanismo por inducción en Estados Unidos y en Brasil”, cuenta Ferreira. El deflector está incluido en esas patentes. Ahora, el trabajo de Ferreira y de Barbaroto consiste en miniaturizar la parte del deflector, llamada estator, una pieza que no se mueve durante el funcionamiento del aparato. “Si alguna empresa se dispusiera a producir este equipoa gran escala, sería barato”, asegura Ferreira.

Otro experimento producido en el Musa, que presenta posibilidades futuras para su utilización en la industria -y que ya fue probado en campo- son los microcoladores, dispositivos que pueden ser utilizados para retirar partículas muy pequeñas suspendidas en gases o en líquidos, además de servir para separar, de acuerdo a su tamaño, partículas sólidas en polvo. Los microcoladores proyectados y probados por la profesora Maria Aparecida Silva, de la Facultad de Ingeniería Química (FEQ) de la Unicamp, están hechos en cobre en el tamaño de un centímetro por un centímetro y poseen 67 mil orificios con diámetros de 20 micrones cada uno. Con ese microcolador se realizaron experimentos de filtración de agua en laboratorio, utilizándose muestras colectadas de una estación de tratamiento de agua de la Sociedad de Abastecimiento de Agua y Saneamiento (Sanasa) de Campinas.

“Con la filtración del agua bruta, logramos el retiro del 95% de la materia orgánica, y la filtración del agua tratada químicamente presentó un índice de transparencia del 99,9%”, dice Maria Aparecida. “Este producto obtuvo buenos resultados experimentales y tiene potencial de uso en el tratamiento de agua a un precio bajo y con un gran impacto social, si se lo produce a gran escala.”El microcolador también podrá utilizarse como membrana filtrante en sistemas de hemodiálisis, que filtran la sangre de las personas con insuficiencia renal.

Con este nuevo dispositivo, se hace más viable el desarrollo de un equipo portátil para hemodiálisis. Maria Aparecida confía en el uso futuro del microcolador tanto en el tratamiento de agua como en la hemodiálisis, porque la alta uniformidad de los orificios garantiza el éxito técnico del dispositivo.Las posibilidades abiertas con los proyectos de microfabricación son amplias. Los ductos de los microdispositivos fabricados en el LNLS también están cediendo terreno a proyectos innovadores, como el del profesor Elnatan Chagas Ferreira, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Unicamp.

Ferreira investiga un contador de bacterias en la leche por medio de microductos y fibra óptica. “El conteo de las bacterias se efectúa en el medio líquido en microductos fabricados en el Musa, que miden 100 micrones de ancho y 100 micrones de altura”, explica Ferreira. Él y el doctorando André Teixeira están elaborando un prototipo de contador de bacterias automatizado acoplado a un microscopio óptico especial que efectúa el conteo de los microorganismos.

Neuronas de caracoles
Otros proyectos también produjeron dispositivos para contacto con material orgánico. Uno de éstos fue la creación de una microestructura para el cultivo de neuronas en el marco de un trabajo realizado en el Laboratorio de Microelectrónica de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP). Dos doctorandos, Henrique Estanislau Maldonado Peres y Nathalia Peixoto, bajo la dirección del profesor Francisco Javier Ramirez-Fernandez, desarrollaron un dispositivo de 1,2 milímetro de lado, con cavidades para orientar el crecimiento de neuronas de caracol (Helix aspersa) en medio de cultivo.

Los experimentos mostraron que las células se adhieren y crecen sobre las estructuras y pueden ser estimuladas por medio de microelectrodos. “Necesitamos ahora desarrollar un dispositivo con canales de mayor profundidad para acomodar las neuronas”, explica Peres. “El mayor éxito consistió en estudiar la propagación de señales eléctricas (o estímulos eléctricos) en las neuronas in vitro .”

Probador portátil
El aceite de cocina utilizado en restaurantes y otros establecimientos de producción de alimentos, fue objeto de un experimento realizado en el Musa por el profesor Edval Santos, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE). Santos desarrolló un capacitor que mide las constantes dieléctricas (la resistencia al paso de la corriente) de líquidos tales como el aceite de cocina, solventes y combustibles. “Con ese capacitor podremos, por ejemplo, caracterizar el aceite de cocina utilizado en el comercio, midiendo la calidad de ese producto”, explica Santos. El mismo principio podrá también utilizarse para detectar adulteraciones en los combustibles.

De acuerdo con el tiempo de fritura, el aceite puede perder las características originales y volverse, incluso, cancerígeno. Una de las maneras de evaluar esa degradación consiste en medir las propiedades eléctricas del aceite con el capacitor, que funciona como un sensor químico. “Con el microcapacitor producido en el Musa es posible estructurar un sistema de inspección para testear en el propio local la calidad del aceite, que funciona como un sistema de admisión para el laboratorio que emitirá un dictamen conclusivo”, prevé Santos.Entre los diversos proyectos ya ejecutados por el Musa se encuentran, por ejemplo, una pinza para manipular cristales de proteínas, una herramienta útil para los investigadores del Centro de Biología Molecular Estructural del LNLS.

“Ya tenemos la pinza, ahora necesitamos crear el mecanismo que le dará movimiento”, explica Izaque Alves Maia, investigador del Musa. Al igual que la pinza, otras piezas producidas en el Musa ya se encuentran delineadas y fabricadas, pero no están listas aún para entrar en acción. Normalmente, las mismas forman parte de sistemas mayores que exigen nuevos estudios y la creación de nuevos mecanismos. No obstante, son piezas esenciales en sistemas innovadores y, muchas veces, inéditas.

Litografía y metales
Antes de entregárselas a sus ideadores, todas las micropiezas fabricadas en el Musa pasan por idéntico proceso de producción, con ligeras variaciones. Son proyectadas por los interesados -investigadores de institutos y universidades o de empresas- y enviadas al LNLS. El proceso de fabricación comienza con la producción de una micromáscara litográfica producida en metal con el dibujo de la pieza. Dicha máscara es entonces colocada sobre un polímero fotosensible asentado sobre una base de silicio o vidrio revestido con una capa conductiva. Posteriormente ese conjunto es expuesto a radiación ultravioleta. El dibujo de la pieza queda impreso en el polímero como en una película fotográfica.

Al retirarse el polímero de la parte sensibilizada se forma un molde de la micropieza. En la parte final de la fabricación del dispositivo, ese molde recibe por electrodeposición o galvanoplastía -bajo la acción de una corriente eléctrica- un metal, que puede ser cobre, níquel u oro. Esa fase es realizada en la empresa Metalfoto, ubicada en la ciudad de Cotia, que concreta el crecimiento del metal dentro del molde de polímero. La micropieza está lista cuando se retiran el molde y la base de silicio o de vidrio.

“Nuestra intención para avanzar en ese proceso de microfabricación es hacer la sensibilización (litografía) con el rayo X de la luz sincrotrón en lugar de la radiación ultravioleta”, dice el coordinador do Musa, Luiz Otávio Ferreira. “Así obtendremos unamejor calidad en la fabricación de las piezas”. Una de las diez líneas de luz del sincrotrón, llamada XRL, está destinada exclusivamente al trabajo del Musa. Ese rayo X es producido a partir de la energía de los electrones que circulan, a la velocidad de la luz, en el interior del anillo metálico de 93 metros de longitud y 30 metros de diámetro que, integrado a decenas de otros componentes, forma la fuente de luz sincrotrón.

Uso industrial
Los primeros experimentos con el rayo X están siendo llevados adelante por el equipo del profesor Ferreira. Aun sin la utilización plena del rayo X, los mecanismos de fabricación de micropiezas están disponibles para aquéllos que la necesitan en el campo industrial. La intención del LNLS es incrementar la participación de las empresas interesadas en hacer microdispositivos.

“Tenemos la receta de la fabricación de micropiezas y podemos colaborar con las empresas en sus proyectos”, dice Ferreira, que también es profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Unicamp, en donde está formando un grupo de estudios en microsistemas. Son buenas noticias para los distintos sectores que necesitan microdispositivos para el desarrollo de artefactos, sistemas y equipos innovadores.

El Proyecto
Proyecto, Microfabricación y Caracterización de Osciladores Microelectromecánicos con Accionamiento Electromagnético
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador
Luiz Otávio Saraiva Ferreira – LNLS
Inversión
R$ 92.660,25 y US$ 51.671,90

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