Os pesquisadores desenvolveram um sensor feito de “fumaça congelada” que utiliza técnicas de inteligência artificial para detectar formaldeído em tempo real em concentrações tão baixas quanto oito partes por bilhão, muito além da sensibilidade da maioria dos sensores de qualidade do ar interno.



Os pesquisadores da Universidade de Cambridge desenvolveram sensores feitos de materiais altamente porosos conhecidos como aerogéis. Ao projetar com precisão o formato dos orifícios nos aerogéis, os sensores foram capazes de detectar a impressão digital do formaldeído, um poluente comum do ar interno, à temperatura ambiente.

Os sensores de prova de conceito, que requerem energia mínima, poderiam ser adaptados para detectar uma ampla gama de gases perigosos e também poderiam ser miniaturizados para aplicações vestíveis e de cuidados de saúde. Os resultados são relatados na revista Science Advances .

Os compostos orgânicos voláteis (COV) são uma importante fonte de poluição do ar interior, causando lacrimejamento, queimação nos olhos e na garganta e dificuldade em respirar em níveis elevados. Altas concentrações podem desencadear ataques em pessoas com asma e a exposição prolongada pode causar certos tipos de câncer.

O formaldeído é um COV comum e é emitido por utensílios domésticos, incluindo produtos de madeira prensada (como MDF), papéis de parede e tintas e alguns tecidos sintéticos. Na maior parte, os níveis de formaldeído emitidos por estes itens são baixos, mas os níveis podem aumentar com o tempo, especialmente em garagens onde é mais provável que sejam armazenados tintas e outros produtos que emitem formaldeído.

De acordo com um relatório de 2019 do grupo de campanha Clean Air Day, um quinto dos domicílios no Reino Unido apresentava concentrações notáveis ​​de formaldeído, com 13% das residências ultrapassando o limite recomendado estabelecido pela Organização Mundial da Saúde (OMS).

“COVs como o formaldeído podem levar a sérios problemas de saúde com exposição prolongada, mesmo em baixas concentrações, mas os sensores atuais não têm sensibilidade ou seletividade para distinguir entre COVs que têm impactos diferentes na saúde”, disse o professor Tawfique Hasan, do Cambridge Graphene. Center, que liderou a pesquisa.

“Queríamos desenvolver um sensor que fosse pequeno e não usasse muita energia, mas que pudesse detectar seletivamente o formaldeído em baixas concentrações”, disse Zhuo Chen, o primeiro autor do artigo.

Os pesquisadores basearam seus sensores em aerogéis:materiais ultraleves às vezes chamados de “fumaça líquida”, uma vez que são mais de 99% de ar em volume. A estrutura aberta dos aerogéis permite que os gases entrem e saiam facilmente. Ao projetar com precisão a forma, ou morfologia, dos furos, os aerogéis podem atuar como sensores altamente eficazes.

Trabalhando com colegas da Universidade de Warwick, os investigadores de Cambridge optimizaram a composição e a estrutura dos aerogéis para aumentar a sua sensibilidade ao formaldeído, transformando-os em filamentos com cerca de três vezes a largura de um fio de cabelo humano.

Os pesquisadores imprimiram em 3D linhas de uma pasta feita de grafeno, uma forma bidimensional de carbono, e depois liofilizaram a pasta de grafeno para formar os buracos na estrutura final do aerogel. Os aerogéis também incorporam minúsculos semicondutores conhecidos como pontos quânticos.

Os sensores que desenvolveram foram capazes de detectar formaldeído em concentrações tão baixas quanto oito partes por bilhão, o que representa 0,4% do nível considerado seguro nos locais de trabalho do Reino Unido. Os sensores também funcionam em temperatura ambiente, consumindo baixíssima energia.

“Os sensores de gás tradicionais precisam ser aquecidos, mas devido à forma como projetamos os materiais, nossos sensores funcionam incrivelmente bem à temperatura ambiente, por isso usam entre 10 e 100 vezes menos energia do que outros sensores”, disse Chen.

Para melhorar a seletividade, os pesquisadores incorporaram algoritmos de aprendizado de máquina nos sensores. Os algoritmos foram treinados para detectar a “impressão digital” de diferentes gases, de modo que o sensor fosse capaz de distinguir a impressão digital do formaldeído de outros VOCs.

“Os detectores de VOC existentes são instrumentos rombos – você obtém apenas um número para a concentração geral no ar”, disse Hasan. “Ao construir um sensor capaz de detectar COVs específicos em concentrações muito baixas em tempo real, pode dar aos proprietários de residências e empresas uma imagem mais precisa da qualidade do ar e de quaisquer riscos potenciais à saúde”.

Os pesquisadores dizem que a mesma técnica poderia ser usada para desenvolver sensores para detectar outros VOCs. Em teoria, um dispositivo do tamanho de um detector doméstico padrão de monóxido de carbono poderia incorporar vários sensores diferentes, fornecendo informações em tempo real sobre uma variedade de diferentes gases perigosos.

A equipe de Warwick está desenvolvendo uma plataforma multisensor de baixo custo que incorporará esses novos materiais de aerogel e, juntamente com algoritmos de IA, detectará diferentes VOCs.

“Ao usar materiais altamente porosos como elemento sensor, estamos abrindo novas formas de detectar materiais perigosos em nosso ambiente”, disse Chen.

Mais informações: Zhuo Chen et al, Detecção de formaldeído resistente a ruído e deriva em tempo real à temperatura ambiente com filamentos de aerogel, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Universidade de Cambridge