La identificación precisa de sustancias —desde gases industriales hasta tejidos humanos— podría dejar de depender de equipos voluminosos y costosos. Un proyecto europeo liderado por VTT, el centro de investigación técnica de Finlandia, está desarrollando una nueva generación de sensores en miniatura basados en fotónica y metalentes que promete transformar la medición ambiental, industrial y médica.
El proyecto, denominado EPheS (Efficient Photonics for Sustainable Imaging and Sensing), busca crear tecnologías compactas de imagen espectral y medición de gases capaces de analizar materiales en tiempo real utilizando, entre otros recursos, luz infrarroja. La apuesta es clara: dispositivos más pequeños, más sostenibles y más asequibles, construidos con materiales disponibles y no tóxicos.
Fotónica para una economía más circular
EPheS se centra en innovaciones basadas en la ciencia de la luz, la fotónica, con especial atención a tecnologías espectrales e infrarrojas. Uno de los objetivos principales es mejorar la forma en que se detectan gases peligrosos, se monitorizan procesos industriales o se verifica la seguridad de alimentos y fármacos, sin olvidar aplicaciones en diagnóstico médico, como el análisis de tejidos.
Según explica Aapo Varpula, coordinador del proyecto y líder del equipo de sistemas médicos en miniatura de VTT, las nuevas tecnologías de imagen espectral y medición de gases son clave para avanzar hacia una economía circular. Permiten reducir la huella de carbono de múltiples sectores y, al mismo tiempo, aumentar la “huella de carbono positiva”, es decir, el impacto ambiental beneficioso que generan las propias tecnologías al optimizar procesos y reducir residuos.
El proyecto, de 3 años de duración y lanzado a comienzos de 2025, forma parte del ecosistema Chip Zero, impulsado por Applied Materials. Su presupuesto total asciende a 4,2 millones de euros y reúne a cuatro empresas y dos instituciones de investigación: VTT, la Universidad de Tampere, Vaisala, Gasera, Schott Primoceler y Applied Materials.
De los grandes equipos a sensores miniaturizados
Tradicionalmente, la medición precisa de gases o la imagen hiperespectral han requerido equipos voluminosos, caros y a menudo especializados en un único tipo de compuesto. EPheS pretende romper esta lógica mediante una combinación poco habitual de tecnologías:
- Metaóptica y metalentes
- Filtros espectrales ajustables basados en MEMS (sistemas microelectromecánicos)
- Sistemas ópticos integrados para el infrarrojo de onda larga (LWIR)
El enfoque es ambicioso: combinar metalentes y filtros infrarrojos ajustables en sistemas compactos capaces de realizar detección espectral de gases e imagen hiperespectral con alta sensibilidad.
Los metalentes son lentes planas, nanostructuradas, capaces de sustituir a las ópticas tradicionales. Al manipular la luz mediante estructuras a escala nanométrica, permiten diseñar sistemas mucho más simples, ligeros y eficientes en recursos y coste. En Finlandia, la metaóptica apenas se ha empleado hasta ahora en aplicaciones industriales, por lo que el proyecto abre un campo nuevo en el infrarrojo de onda larga.
Materiales más ecológicos y sensores más inteligentes
Uno de los pilares de EPheS es la sostenibilidad de los materiales. En lugar de recurrir a compuestos infrarrojos clásicos, caros, raros o potencialmente tóxicos, el proyecto utiliza silicio u otros materiales ampliamente disponibles y no tóxicos. De este modo, se reduce la dependencia de materias primas críticas y se facilita la escalabilidad de las soluciones.
Los nuevos filtros LWIR ajustables, fabricados mediante tecnología MEMS, se basan en interferómetros de Fabry-Pérot miniaturizados. En la práctica, se construyen con membranas ópticas separadas por un pequeño hueco de aire. Un apilado de capas que incluye una membrana de silicio ultrafina permite operar de forma eficiente en la banda de infrarrojo de onda larga.
Frente a soluciones convencionales —grandes, caras y a menudo limitadas a un solo gas— estos componentes ajustables facilitan:
- Detectar múltiples gases con un solo dispositivo.
- Reducir tamaño y coste de los equipos.
- Crear sistemas de medición de gases más versátiles y adaptables.
Cuando la luz se convierte en sonido: fotoacústica en acción
Las tecnologías fotónicas que se están desarrollando permiten analizar gases y materiales en tiempo real, con alta sensibilidad y sin interferencias de otros compuestos. Para ello recurren a métodos como la espectroscopía infrarroja y la técnica fotoacústica.
En el enfoque fotoacústico, el gas se introduce en una cámara de medición e se ilumina con luz infrarroja. Cuando el gas absorbe esa radiación a una longitud de onda concreta, se genera una señal acústica. Solo aparece si el gas presente coincide con el “patrón” para el que se ha ajustado la longitud de onda. Es, en cierto modo, una firma sonora única para cada compuesto.
Los sensores de gas y equipos que se están diseñando utilizan filtros LWIR ajustables microfabricados, lo que permite cambiar dinámicamente la longitud de onda y, por tanto, identificar diferentes gases sin necesidad de un dispositivo dedicado para cada uno.
De la industria al quirófano: un amplio abanico de aplicaciones
El alcance potencial de las tecnologías que EPheS está desarrollando es amplio:
- Monitorización ambiental y detección de gases peligrosos, clave para la seguridad industrial y la protección del entorno.
- Iniciativas de energía verde, donde la medición precisa de emisiones y procesos es crítica.
- Seguridad alimentaria y farmacéutica, con análisis rápidos de materias primas y productos finales.
- Diagnóstico médico, por ejemplo, mediante el análisis espectral de tejidos o fluidos.
Al miniaturizar y abaratar estos sistemas, el proyecto aspira a que herramientas hoy reservadas a grandes laboratorios o instalaciones específicas puedan integrarse en líneas de producción, almacenes, hospitales o incluso dispositivos portátiles.
Construyendo un “cluster” nacional de fotónica avanzada
EPheS es también una apuesta estratégica por consolidar un cluster nacional de competencia en fotónica dentro del ecosistema Chip Zero. Finlandia busca posicionarse en tecnologías clave como la metaóptica, los MEMS ópticos, la deposición en capas atómicas (ALD) y los sistemas fotónicos integrados.
Desde Applied Materials, el científico senior Jesse Kalliomäki subraya el papel de la ALD para lograr recubrimientos de altísima calidad y fiabilidad en componentes ópticos avanzados. Desde filtros multiespectrales hasta capas resistentes para MEMS, la precisión a escala nanométrica es esencial para que estas tecnologías funcionen de forma estable en entornos reales.
Por su parte, la profesora Humeyra Caglayan, de la Universidad de Tampere, recuerda que el objetivo del equipo académico es desarrollar componentes metaópticos que manipulen la luz con precisión nanométrica. Dentro de EPheS se centran en diseñar metalentes y metasuperficies que aporten funciones avanzadas de imagen y sensado en formatos compactos e integrados.
Del diseño a la sala blanca: próximos pasos
Según VTT, la colaboración entre socios ha arrancado con fuerza. El consorcio se encuentra en la fase de diseño y está previsto que la fabricación de componentes comience en la sala blanca de VTT para obleas de 200 mm en torno al cambio de año. A partir de ahí, el siguiente hito será demostrar estas nuevas tecnologías infrarrojas en aplicaciones concretas, desde sensores de gases a sistemas de imagen hiperespectral.
Si el plan se cumple, en pocos años podrían aparecer en el mercado instrumentos mucho más compactos, sostenibles y asequibles, capaces de identificar sustancias mediante luz infrarroja y metalentes, y de contribuir a una industria más eficiente y a una medicina más precisa.
Preguntas frecuentes sobre el proyecto EPheS y las metalentes
¿Qué es una metalente y en qué se diferencia de una lente tradicional?
Una metalente es una lente plana formada por nanoestructuras que controlan la luz a escala nanométrica. A diferencia de las lentes convencionales, que son gruesas y curvadas, una metalente puede ser prácticamente plana y mucho más fina. Esto permite diseñar sistemas ópticos más ligeros, compactos y eficientes en materiales, algo clave para sensores integrados en dispositivos pequeños.
¿Qué aplicaciones prácticas tendrán los sensores basados en metalentes y fotónica infrarroja?
Los sensores desarrollados en EPheS están pensados para detectar gases y analizar materiales en tiempo real. Podrán utilizarse para monitorizar emisiones industriales, detectar gases peligrosos, mejorar el control de calidad en alimentación y farmacéutica, y apoyar aplicaciones médicas como el análisis de tejidos. Su carácter compacto y ajustable facilita su integración en líneas de producción, robots, dispositivos portátiles y equipos clínicos.
¿Por qué estas tecnologías se consideran más sostenibles que los sistemas de medición actuales?
El proyecto apuesta por materiales abundantes y no tóxicos, como el silicio, en lugar de compuestos infrarrojos caros, raros o potencialmente peligrosos. Además, la miniaturización reduce la cantidad de material necesario y, en muchos casos, el consumo energético de los equipos. Al habilitar mediciones más precisas y en tiempo real, también ayudan a optimizar procesos industriales y reducir desperdicios, lo que contribuye a la economía circular.
¿Quiénes participan en el proyecto EPheS y cuál es el papel de Finlandia?
EPheS está liderado por VTT, el centro de investigación técnica de Finlandia, y cuenta con la Universidad de Tampere y cuatro empresas: Applied Materials, Vaisala, Gasera y Schott Primoceler. Finlandia aporta su experiencia en fotónica, MEMS y fabricación avanzada, utilizando infraestructuras como salas blancas para obleas de 200 mm y capacidades de metaóptica y deposición en capas atómicas para desarrollar componentes ópticos de nueva generación.
Fuentes:
• Comunicado de VTT Info sobre el proyecto EPheS (Efficient Photonics for Sustainable Imaging and Sensing).
vía: prnewswire
