Site Canal Ciência

Detectores de gases tóxicos

Semicondutores magnéticos diluidos nanoestruturados e o seu uso como sensores de gás

Equipe Canal Ciência

Jose Antonio Huamani Coaquira

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Foi desenvolvido estudo sobre materiais à base de óxidos semicondutores com o objetivo de desenvolver sensores de gases mais sensíveis e eficientes.

Projeto de pesquisa

A capacidade de detectar certos gases no ar de maneira automática e confiável é crucial tanto na indústria quanto dentro de casa. Um sensor capaz de detectar a presença de altos níveis de monóxido de carbono (CO), gás liberado durante incêndios, pode soar um alarme e salvar vidas. O desenvolvimento de sensores mais sensíveis, baratos e capazes de detectar diferentes tipos de gases é, portanto, uma tarefa importante e uma área de intensa atividade científica e tecnológica.

Existem diferentes técnicas utilizadas para detectar gases no ar. Uma delas envolve o uso de óxidos semicondutores, materiais que conduzem eletricidade em certas condições e que são formados pela ligação química entre um metal, como o zinco, e o oxigênio.

A vantagem do uso de óxidos semicondutores em relação a outros materiais e técnicas é que sensores feitos com esses materiais possibilitam a detecção de diferentes tipos de gases mesmo em ambientes com grande variação de temperatura.

Além disso, óxidos semicondutores possuem um custo de fabricação relativamente baixo e são mais passíveis de miniaturização (redução de seu tamanho). Vários óxidos semicondutores têm sido aplicados com sucesso na fabricação de sensores, tais com ZnO (óxido de zinco), TiO2 (óxido de titânio) e SnO2 (dióxido de estanho).

Na Universidade de Brasília, pesquisadores liderados pelo físico peruano Jose Antonio Coaquira, professor do Instituto de Física da instituição, estão estudando materiais à base de óxidos semicondutores com o objetivo de desenvolver sensores de gases mais sensíveis e eficientes.

O projeto está sendo realizado em três etapas que envolvem (a) a preparação dos óxidos semicondutores, uma tarefa por si só complicada, (b) a avaliação das características físicas dos semicondutores produzidos (por exemplo, sua estrutura molecular), e (c) teste do material para confirmar se eles conseguem detectar os gases desejados.

Na primeira etapa, os pesquisadores preparam nanopartículas dos óxido semicondutores, como de SnO2 ou TiO2, esses materiais possuem estruturas minusculas, aproximadamente 1 metro dividido por 1 bilhão, como ilustrado na figura 1. A esse material são adicionadas algumas “impurezas”, pequenas quantidades de elementos químicos como ferro (Fe), cobalto (Co) ou cromo (Cr). O processo de adição de impurezas, chamado dopagem, é importante porque modifica as características do óxido semicondutor, tornando-o mais adequado para seu uso como sensor.

Após o preparo do óxido semicondutor, são analisadas as características de estrutura e de vibração molecular desses materiais por meio de técnicas experimentais, como difração de raio-X e espectroscopia Raman. Essas técnicas fornecem um verdadeiro “raio-X”, possibilitando identificar a estrutura molecular desses materiais. Isso é importante para confirmar se o material foi produzido corretamente. Além disso, esse “raio-X” do material ajudará os pesquisadores a entender melhor como ocorre a detecção do gás de interesse, caso o material se mostre sensível a esse gás.

Finalmente, na última etapa, o material é posto a prova com o gás de interesse. Nessa fase, o objetivo é avaliar se o sensor produzido nas etapas anteriores é capaz de detectar o gás, se é sensível a variações na concentração desse gás, e se responde especificamente a esse gás e não a qualquer outro gás que aparecer no ambiente.

Uma das formas de saber se um sensor responde a um determinado gás é expô-lo ao gás e monitorar a sua resistência a condução de eletricidade, ou seja, a sua resistência elétrica, de acordo com a presença ou ausência do gás. A queda na resistência elétrica é proporcional à quantidade de gás presente no ambiente, como mostra a figura 2. Dessa forma, esses sensores conseguem detectar não apenas a presença de um certo gás, mas também estimar sua quantidade.

A pesquisa é importante porque pode levar à descoberta de novos sensores de gases, mais eficientes e baratos que os atuais. Além disso, sensores mais sensíveis possibilitariam seu uso na medicina, pois poderiam sinalizar a presença de doenças no ar exalado pelo paciente.

Uma das aplicações mais promissoras desses sensores biológicos (biosensores) envolve a detecção de diabetes. Pesquisas recentes mostraram que a mistura de pequenas quantidades de silício (Si) a cristais de dióxido de tungstênio (WO2) gera um material altamente eficaz na detecção da acetona, substância presente em altas quantidades no hálito de diabéticos.

A acetona, usada nos removedores de esmalte de unhas, também está presente no hálito do ser humano. Em pessoas saudáveis, a concentração de acetona no ar exalado é normalmente menor que 900 partículas por bilhão. Já em uma pessoa diabética, a concentração de acetona dispara para valores maiores que 1.800 partículas por bilhão. Um sensor feito de WO2 com Si consegue detectar especificamente a acetona e apontar sua concentração no ar expirado por um paciente.

Biosensores também podem ser usados na detecção de certas vitaminas. Trabalhos científicos têm mostrado que a adição de Cr ao SnO2 cria um material capaz de detectar a vitamina B2 (riboflavina). Esta vitamina é importante no metabolismo das gorduras, açúcares e proteínas, e é essencial para a saúde dos olhos, pele, boca e cabelos.

Ciências Exatas e da Terra

Portuguesa Gases tóxicos

Portuguesa Detectores

Portuguesa Sensores

ODS 9: Indústria, Inovação e Infraestrutura

ODS 13: Ação Contra a Mudança Global do Clima

February 6, 2014