Os sensores ambientais estão um passo mais perto de detectar simultaneamente vários gases que podem indicar doenças ou poluição, graças a uma colaboração da Penn State. Huanyu "Larry" Cheng, professor assistente de ciência da engenharia e mecânica na Faculdade de Engenharia, e Lauren Zarzar, professor assistente de química na Eberly College of Science, e suas equipes combinaram escrita a laser e tecnologias de sensores responsivos para fabricar a primeira microescala altamente personalizável dispositivos sensores de gás.
Eles publicaram sua técnica este mês em ACS Applied Materials &Interfaces .

"A detecção de gases é de importância crítica para vários campos, incluindo monitoramento de poluição, garantia de segurança pública e assistência à saúde pessoal", disse Cheng. "Para atender a essas necessidades, os dispositivos de detecção devem ser pequenos, leves, baratos e fáceis de usar e de aplicar em vários ambientes e substratos, como roupas ou tubulações".

De acordo com Cheng, o desafio é criar dispositivos com as propriedades desejadas que ainda possam ser adaptados com a infraestrutura necessária para a detecção precisa e precisa de diferentes gases-alvo ao mesmo tempo. É aí que entra a experiência de Zarzar com escrita a laser.

"As técnicas de escrita a laser dão liberdade de design a uma ampla gama de campos", disse Zarzar. "Expandir nossa compreensão de como sintetizar, padronizar e integrar diretamente novos materiais - especialmente nanomateriais e compósitos de nanomateriais - em sistemas complexos nos permitirá criar tecnologias de detecção cada vez mais sofisticadas e úteis".

Seu grupo de pesquisa desenvolveu o processo voxel térmico induzido por laser, que permite a criação e integração simultânea de óxidos metálicos diretamente em plataformas de sensores. Os óxidos metálicos são materiais que reagem a vários compostos, desencadeando o mecanismo de detecção. Com a escrita a laser, os pesquisadores dissolvem sais metálicos na água e depois focam o laser na solução. A alta temperatura decompõe a solução, deixando para trás nanopartículas de óxido metálico que podem ser sinterizadas na plataforma do sensor.

O processo agiliza os métodos anteriores, que exigiam uma máscara pré-definida do padrão planejado. Quaisquer alterações ou ajustes exigiam a criação de uma nova máscara – custando tempo e dinheiro. A escrita a laser é "sem máscara", de acordo com Zarzar, e, quando combinada com o processo de voxel térmico, permite a rápida iteração e teste de vários designs ou materiais para encontrar as combinações mais eficazes.

"A padronização precisa também é um componente necessário para a criação de 'nariz eletrônico', ou conjuntos de sensores que agem como um nariz e podem detectar com precisão vários gases ao mesmo tempo", disse Alexander Castonguay, estudante de pós-graduação em química e co-primeiro autor no papel. "Tal detecção precisa requer a padronização de diferentes materiais próximos, na microescala mais fina. Poucas técnicas de padronização têm a resolução para fazer isso, mas a abordagem detalhada neste estudo tem. Planejamos usar as técnicas e materiais descritos aqui para desenvolver protótipos de nariz eletrônico."

Os pesquisadores testaram cinco diferentes metais e combinações de metais atualmente usados ​​em sensores. De acordo com Castonguay, o ponto onde diferentes óxidos metálicos se tocam, chamado de heterojunção, cultiva um ambiente único na interface dos dois materiais que melhora a resposta dos sensores de gás. A equipe descobriu que uma heterojunção de óxido de cobre e óxido de zinco tem uma resposta melhorada de cinco a 20 vezes aos gases testados – etanol, acetona, dióxido de nitrogênio, amônia e sulfeto de hidrogênio – em relação apenas ao óxido de cobre.

"Esta descoberta apoia outros relatos na literatura científica de que a criação de sistemas de óxido misto pode levar a aumentos significativos na resposta do sensor e demonstra a eficácia da técnica de voxel térmico induzida por laser para a fabricação de sensores de gás de óxido misto", disse Castonguay. "Esperamos que, reunindo o conhecimento de escrita a laser do grupo Zarzar com a experiência em sensores vestíveis do grupo Cheng, possamos expandir nossas capacidades para criar sensores novos e personalizáveis". + Explorar mais

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