Sensor em miniatura que deteta gases tóxicos apresenta resultados promissores

Uma equipa de cientistas da UNSW Sydney desenvolveu um sensor em miniatura altamente sensível, capaz de detetar níveis baixos de dióxido de azoto (NO2), um gás tóxico.

Os sensores de gás têm uma vasta gama de utilizações, nomeadamente no âmbito das normas de saúde e segurança, monitorizando a presença de gases combustíveis, inflamáveis e tóxicos.

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

Este novo protótipo, desenvolvido pela Jiyun Kim, Tao Wan, Long Hu, pelo Professor Dewei Chu e por uma equipa da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da UNSW, tem uma elevada sensibilidade ao NO2 e pode funcionar à temperatura ambiente.

O último estudo, publicado recentemente na revista Advanced Science, descreve também a forma como os principais componentes do sensor foram produzidos de forma sustentável utilizando técnicas de impressão sofisticadas.

“É entusiasmante porque não se trata apenas de ciência pela ciência – isto tem um grande potencial de aplicação prática”, afirma Chu. “O facto de ser sustentável e de ter demonstrado um excelente desempenho faz com que se sinta que estamos a contribuir para revolucionar os sensores de gás que podem ser implementados em aplicações de deteção vestíveis e na produção em grande escala.”

Para que são utilizados os sensores de gás?

Os sensores de gás são amplamente utilizados para diferentes objetivos. Mais frequentemente, são utilizados para fins de saúde e segurança, como para detetar níveis perigosos de gases tóxicos, incluindo monóxido de carbono (CO) e NO2. Os níveis de NO2 podem ser particularmente elevados em áreas com muitas fontes de emissões, incluindo estradas movimentadas, fábricas e centrais elétricas.

“Outros sensores de gás incluem os dos motores dos automóveis, que detetam os níveis de oxigénio”, afirma o Prof. Chu”. Isto porque é necessário ajustar a relação entre o combustível e o oxigénio para obter uma boa eficiência.

“Também são utilizados em ambientes de cuidados de saúde, por exemplo, para identificar a composição da respiração das pessoas”, acrescenta.

No entanto, estes sensores atuais apresentam algumas limitações, incluindo o tamanho e o elevado consumo de energia necessário para o seu funcionamento, bem como uma sensibilidade limitada e a degradação do sensor ao longo do tempo.

“Os atuais sensores de gás podem ser complexos, o que também significa que podem ser bastante caros”, afirma o Professor. “Por exemplo, o sensor de oxigénio nos nossos porta-luvas pode custar $US5000 cada”, aponta.

Para enfrentar estes desafios, é necessário continuar a investigação e desenvolvimento para melhorar a sua precisão, fiabilidade e versatilidade. Assim, Chu e a sua equipa propuseram-se criar um sensor leve e acessível para detetar NO2.

A impressão 2D como técnica de produção sustentável

A equipa iniciou a sua investigação com um composto bem conhecido e promissor que já foi utilizado em aplicações de deteção devido à sua sustentabilidade e biocompatibilidade: o dissulfureto de molibdénio (MoS2).

“O meu grupo de investigação tem vindo a investigar o potencial do MoS2 como dispositivo de deteção há mais de oito anos”, afirma o Professor.

“Existem dois subgrupos diferentes de MoS2, um que é mais condutor – o que significa que é melhor na condução de eletricidade – e outro que é menos condutor”.

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

Depois de combinar os dois subtipos de MoS2, a equipa fez várias alterações adicionais ao composto solúvel. “Por exemplo, também adicionámos azoto à mistura solúvel, para aumentar a sua sensibilidade”, explica Chu.

Quando uma molécula de NO2 risca a superfície, o composto MoS2 tem a capacidade de absorver essa molécula. “Ao capturar as moléculas de NO2, a resistência elétrica da superfície é alterada e podemos então registar uma alteração da condutividade à temperatura ambiente”.

O que é ainda mais único neste mini-sensor é o facto de ter sido construído utilizando a tecnologia de impressão 2D.

“A tecnologia de impressão 2D é semelhante à impressão 3D, exceto que é feita numa superfície muito fina para minimizar os custos de produção do sensor”, sublinha o Prof. Chu. “O processo envolve a existência de pequenos nódulos que injetam materiais solúveis numa superfície plana.”

A equipa utilizou esta impressão 2D para construir dois componentes do sensor. “Na verdade, imprimimos os nanomateriais condutores utilizando a impressão 2D, que funcionam como elétrodos do nosso sensor”, afirma o Prof. “Depois imprimimos o material do sensor propriamente dito, que é o MoS2 que desenvolvemos no laboratório.”

Resultados iniciais prometedores

Os sensores de gás comerciais existentes deparam-se com problemas críticos que limitam o seu desenvolvimento e várias aplicações devido ao seu elevado consumo de energia, baixa precisão, monitorização lenta em tempo real e falta de capacidade para detetar concentrações vestigiais.

“O princípio dos atuais sensores de gás no mercado é que têm de ser aquecidos, por vezes até 300°C, caso contrário não conseguem detetar”, diz o Prof. “Como o nosso dispositivo pode funcionar à temperatura ambiente, necessita de muito menos energia”.

Os testes efetuados em laboratório revelaram que o sensor baseado em MoS2 tinha uma elevada sensibilidade de 10ppm NO2 – isto significa que o sensor consegue detetar com êxito 10 partículas de NO2 em 1 milhão de partículas de gás.

Embora o NO2 exista naturalmente em quantidades muito pequenas no ar, a principal fonte é a atividade humana, como a queima de carvão, e níveis elevados do gás constituem um perigo para a vida humana. Concentrações de 50-100ppm de NO2 podem causar lesões pulmonares tardias, e mais de 200ppm são consideradas um perigo imediato para a vida.

Tecnologia de deteção de gás de última geração

Graças ao seu tamanho miniatura e ao seu baixo consumo de energia, o dispositivo vestível tem um vasto leque de utilizações, especialmente quando se trata de medir com segurança as concentrações de gás em diferentes ambientes de trabalho.

“Esperamos trabalhar na conceção de dispositivos de deteção portáteis para monitorizar a qualidade do ar, por exemplo, para sistemas industriais seguros em minas ou em armazéns, onde as concentrações de NO2 podem ser particularmente elevadas”, afirma o Prof.

Chu explica que ainda há melhorias a fazer, como testar a sensibilidade a outros gases, o que, por sua vez, alargará o âmbito das suas potenciais utilizações.

“Temos um acesso limitado a uma gama mais vasta de gases, como os 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 com outros gases-alvo.”