Este nanotubo tem o nariz certo para o oxigénio
O sensor de alto desempenho ativado por luz pode detetar com precisão o oxigénio em misturas de gases complexas
Os investigadores do ETH estão a desenvolver um sensor de baixo custo feito de nanotubos de carbono que pode medir, de forma selectiva, eficiente e fiável, quantidades mínimas de oxigénio em misturas gasosas sob luz. Este sensor poderá ser amplamente utilizado como detetor na indústria, na medicina e na monitorização ambiental.
O oxigénio é essencial para a vida e um agente reativo em muitos processos químicos. Por conseguinte, os métodos que medem com precisão o oxigénio são relevantes para numerosas aplicações industriais e médicas: Analisam os gases de escape dos processos de combustão, permitem o processamento sem oxigénio de alimentos e medicamentos, monitorizam o teor de oxigénio do ar que respiramos ou a saturação do sangue.
As análises de oxigénio estão também a desempenhar um papel cada vez mais importante na monitorização ambiental. "No entanto, essas medições requerem normalmente dispositivos volumosos, que consomem muita energia e são caros, dificilmente adequados para aplicações móveis ou para utilização contínua ao ar livre", afirma Máté Bezdek, Professor de Química de Coordenação Funcional na ETH Zurich. O seu grupo utiliza métodos de conceção molecular para encontrar novos sensores para gases ambientais.
No caso do oxigénio, o grupo de Bezdek foi agora bem sucedido: Num estudo publicado na revista Advanced Science, os investigadores apresentaram um sensor de alto desempenho ativado por luz que pode detetar com precisão o oxigénio em misturas de gases complexas e que também possui as propriedades relevantes para utilização no terreno.
Um polivalente sem compromissos
Lionel Wettstein, estudante de doutoramento no grupo de Bezdek e primeiro autor do estudo, explica: "Os métodos de medição convencionais fazem muitas vezes concessões para atingir uma sensibilidade elevada". Por exemplo, há sensores que são muito sensíveis ao oxigénio, mas consomem muita energia e são perturbados por factores ambientais como a humidade. Outros são tolerantes a gases interferentes, mas são menos sensíveis e são rapidamente consumidos. "Os dispositivos fixos, as amostras complexas e os custos elevados também limitam as aplicações possíveis", afirma Wettstein.
O novo sensor, por outro lado, é um prático polivalente: é muito sensível, detecta o oxigénio num milhão de outras moléculas, mas também funciona de forma fiável em concentrações mais elevadas. É também seletivo, o que significa que tolera a humidade e outros gases interferentes, e tem uma longa vida útil. Finalmente, é minúsculo, mas barato, fácil de utilizar e consome muito pouca energia.
Isto torna o sensor miniaturizado interessante para dispositivos portáteis e medições móveis em tempo real no terreno - por exemplo, para analisar fumos de escape de automóveis ou para a deteção precoce de alimentos estragados. O detetor é também adequado para a monitorização contínua de lagos, rios e solos, utilizando redes de sensores distribuídos em grande escala. "O teor de oxigénio nestes ecossistemas é um indicador importante da saúde ecológica", afirma Wettstein.
Medição de moléculas com nanotubos
Para obter as propriedades desejadas, o grupo de Bezdek concebeu especificamente o sensor a partir de componentes moleculares. Pertence à classe dos quimiresistores: trata-se de circuitos eléctricos minúsculos com um material sensor ativo que interage diretamente com a molécula a analisar, alterando assim a sua resistência eléctrica. "A grande vantagem é que este sinal pode ser medido muito facilmente", diz Bezdek.
Os investigadores escolheram um composto de dióxido de titânio e nanotubos de carbono como base para o material do sensor. O dióxido de titânio pode servir de resistência química, mas tem a desvantagem de só funcionar a temperaturas muito elevadas. "Por esta razão, incorporámos nanotubos de carbono no material compósito", refere Bezdek.
Os nanotubos formam a plataforma de poupança de energia - asseguram que a reação do sensor ocorre à temperatura ambiente e não necessita de aquecimento. Finalmente, para garantir que o material do sensor consegue distinguir de forma fiável o oxigénio de outros gases, a equipa inspirou-se nas células solares sensibilizadas por corantes: Nestas células solares, moléculas de corantes especiais, chamadas fotossensibilizadores, recolhem a energia luminosa e convertem-na em eletricidade.
Os investigadores transferiram este princípio funcional para o seu sensor: na presença de luz verde, o fotossensibilizador transfere electrões para o material compósito feito de dióxido de titânio e nanotubos. Isto ativa o material e torna-o especificamente sensível ao oxigénio. "Ao contrário de outros gases, o oxigénio impede a transferência de carga no sensor ativado, o que altera a sua resistência - esta é a base da reação do sensor", resume Wettstein.
Do laboratório para o terreno
Os investigadores já pediram uma patente para a sua tecnologia de sensores e estão agora à procura de parceiros industriais para continuar a desenvolver a tecnologia. Estima-se que os sensores duradouros e fiáveis que medem especificamente o oxigénio em misturas de gases tenham um volume de mercado anual de cerca de 1,4 mil milhões de dólares americanos.
A equipa está agora a trabalhar na aplicação do seu conceito de sensor, para além do oxigénio, a outros gases ambientais que desempenham um papel ecológico importante. "O nosso material de sensor tem uma estrutura modular - queremos alterar a composição química dos componentes para que outras moléculas alvo possam também ser detectadas", diz Bezdek.
Um dos temas actuais do seu grupo é a deteção de poluentes à base de azoto que conduzem a uma fertilização excessiva na agricultura e poluem o solo e a água. "Para reduzir a pegada ecológica do sector agrícola, precisamos de sensores que permitam uma fertilização precisa dos campos", salienta Bezdek.
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