Sensor em miniatura que detecta gases tóxicos mostra resultados promissores em laboratório

Uma equipe de cientistas da UNSW Sydney desenvolveu um sensor em miniatura altamente sensível que é capaz de detectar baixos níveis do gás tóxico dióxido de nitrogênio (NO₂). O sensor minúsculo e flexível pode detectar gases nocivos em tempo actual, sem a necessidade de uma fonte de energia externa.

Os sensores de gás têm uma ampla gama de utilizações, particularmente na saúde e regulamentos de segurançamonitorando a presença de materiais combustíveis, inflamáveis ​​e gases tóxicos.

O sensor, que tem aproximadamente 2cm x 2cm e apenas 0,4mm de espessura, tem potencial para superar algumas das limitações existentes dos sensores de gás, incluindo seu tamanho restritivo, alto custo e consumo de energia.

Este novo protótipo, que foi desenvolvido pela Sra. Jiyun Kim, Dr. Lengthy Hu, Professor Dewei Chu e uma equipe da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da UNSW tem uma alta sensibilidade ao NO₂ e pode funcionar à temperatura ambiente.

O último estudo, publicado em Ciência Avançadatambém descreve como os principais componentes do sensor foram produzidos de forma sustentável usando técnicas de impressão sofisticadas.

“É emocionante porque não se trata apenas de ciência pela ciência – isto tem um grande potencial para ser aplicado a usos práticos”, diz o Prof.

“O fato de ser sustentável e ter apresentado excelente desempenho faz com que pareça que estamos contribuindo para revolucionar os sensores de gás que podem ser implementados em aplicações de detecção vestíveis e na produção em larga escala”.

Para que são usados ​​os sensores de gás?

Sensores de gás são amplamente utilizados para diversos fins. Mais comumente, eles são usados ​​para fins de saúde e segurança, como para detectar níveis perigosos de gases tóxicos, incluindo monóxido de carbono (CO) e NO.₂. Níveis de NÃO₂ pode ser particularmente elevado em áreas com muitas fontes de emissões, incluindo estradas movimentadas, fábricas e centrais eléctricas.

“Outros sensores de gás incluem aqueles em motores de automóveis, que detectam níveis de oxigênio”, diz o Prof. “Isso ocorre porque você precisa ajustar a proporção entre combustível e oxigênio para obter uma boa eficiência.

“Eles também são usados ​​em ambientes de saúde, como para identificar a composição da respiração das pessoas”.

No entanto, existem algumas limitações para estes sensores existentes, incluindo o tamanho e o elevado consumo de energia que são necessários para funcionar, bem como a sensibilidade limitada e a degradação do sensor ao longo do tempo.

“Os sensores de gás atuais podem ser complexos, o que também significa que podem ser bastante caros”, diz o Prof. “Por exemplo, o sensor de oxigênio em nossos porta-luvas pode custar US$ 5 mil cada.”

Para enfrentar esses desafios, há necessidade de pesquisa e desenvolvimento contínuos para melhorar sua precisão, confiabilidade e versatilidade. Então, o Prof. Chu e sua equipe decidiram criar um sensor leve e acessível para detectar NO₂.

Impressão 2D como técnica de produção sustentável

A equipe iniciou sua investigação com um composto bem conhecido e promissor que já foi usado para aplicações de detecção devido à sua sustentabilidade e biocompatibilidade: dissulfeto de molibdênio (MoS₂).

“Meu grupo de pesquisa tem pesquisado o potencial do MoS₂ como dispositivo de detecção há mais de oito anos”, diz o Prof. Chu.

“Existem dois subgrupos diferentes de MoS₂aquele que é mais condutivo – o que significa que é melhor na condução de eletricidade – e aquele que é menos condutivo.

“Descobrimos que a combinação dos dois subgrupos produz o melhor composto para sensor de gás, mantendo-o condutivo – o que é essencial para esses sensores – ao mesmo tempo que é sensível à composição externa do gás.”

Depois de combinar os dois subtipos de MoS₂a equipe fez várias alterações adicionais no composto solúvel. “Por exemplo, também adicionamos nitrogênio à mistura solúvel, para aumentar sua sensibilidade”, diz o Prof.

Quando um NÃO₂ molécula arranha a superfície, o MoS₂ composto tem a capacidade de absorver essa molécula. “Ao capturar o NÃO₂ moléculas, a resistência elétrica da superfície é alterada, e podemos então registrar uma mudança na condutividade à temperatura ambiente.”

O que há de mais exclusivo neste minisensor é que ele foi construído com tecnologia de impressão 2D.

“A tecnologia de impressão 2D é semelhante à impressão 3D, exceto que acontece em uma superfície muito fina para minimizar os custos de produção do sensor”, diz o Prof. “O processo envolve pequenos nódulos que injetam materiais solúveis em uma superfície plana”.

A equipe usou essa impressão 2D para construir dois componentes do sensor. “Na verdade, imprimimos os nanomateriais condutores usando impressão 2D, que atuam como nossos eletrodos sensores”, diz o Prof. “Em seguida, imprimimos o próprio materials do sensor, que é o MoS₂ que desenvolvemos no laboratório.”

Resultados iniciais promissores

Os sensores de gás comerciais existentes encontram problemas críticos que limitam seu desenvolvimento e diversas aplicações devido ao seu alto consumo de energia, baixa precisão, lentidão em tempo actual monitoramento e falta de capacidade de detectar concentrações vestigiais.

“O princípio da corrente sensores de gás O que há no mercado é que eles precisam ser aquecidos, às vezes até 300 ° C, caso contrário, não serão detectados”, diz o professor Chu. “Como nosso dispositivo pode funcionar em temperatura ambiente, ele requer muito menos energia.”

Testes em laboratório descobriram que seu MoS₂O sensor baseado em N2 tinha uma alta sensibilidade de 10 ppm NO₂—isso significa que o sensor é capaz de detectar com sucesso 10 partículas de NO₂ em 1 milhão de partículas de gás.

Enquanto NÃO₂ existe naturalmente em quantidades muito pequenas no ar, a principal fonte é a atividade humana, como a queima de carvão, e níveis elevados do gás são um perigo para a vida humana. Concentração de 50–100 ppm NO₂ pode causar lesão pulmonar retardada e mais de 200 ppm é considerado um perigo imediato para a vida.

Tecnologia de detecção de gás de última geração

Graças ao seu tamanho diminuto e baixo consumo de energiao dispositivo vestível tem uma ampla gama de utilizações, especialmente quando se trata de medir com segurança concentrações de gases em diferentes ambientes de trabalho.

“Esperamos trabalhar no projeto de dispositivos sensores vestíveis para monitorar a qualidade do ar, como para sistemas de segurança industrial em locais de mineração ou em armazéns, onde concentrações de NO.₂ pode ser particularmente alto”, diz o Prof. Chu.

Embora este desenvolvimento represente um grande passo na tecnologia de sensores de gás de próxima geração, o Prof. Chu explica que ainda há melhorias a serem feitas, como testar a sensibilidade a outros gases, o que, por sua vez, ampliará o escopo de seus usos potenciais.

“Temos acesso limitado a uma gama mais ampla de gases, como compostos orgânicos voláteis ou outros gases tóxicos, como o ozono3 ou o CO, devido a questões de segurança”, afirma. “Seria ótimo se pudéssemos testar uma gama mais ampla de gases para avaliar como o nosso sensor pode funcionar em relação a outros gases alvo.”