O nariz humano pode distinguir entre um trilhão de combinações diferentes de cheiros. Mesmo assim, há muitos gases que nossos narizes não conseguem detectar no nível de sensibilidade de que necessitamos. É aí que entram os sensores gasosos. Embora alguns dos primeiros sensores fossem animais - como canários em minas de carvão - nós os substituímos por tecnologias que podem detectar quantidades minúsculas de produtos químicos no ar.

Assim como nossos próprios narizes, sensores gasosos são essenciais para segurança e conforto. Nas fábricas, sensores gasosos podem alertar os gerentes sobre vazamentos de produtos químicos ou processos em execução incorreta. Lado de fora, eles medem os poluentes, ajudando as cidades a monitorar a qualidade do ar. Nas casas, eles mantêm os membros da família seguros. Os gerentes de edifícios usam medições de sensores de umidade e temperatura para maximizar a eficiência energética.

Esses sensores não existiriam sem um conhecimento fundamental de química e física. Esse conhecimento básico ajuda os cientistas a entender como e por que os materiais sensoriais interagem com produtos químicos gasosos. Muitos materiais de ponta prometem uso em sensores, se os cientistas pudessem aprender como melhor produzi-los e controlá-los.

"Os sensores são onde a pesquisa de materiais encontra a detecção ambiental, "disse Pete Beckman, pesquisador do Laboratório Nacional de Argonne (ANL), do Departamento de Energia.

Para definir as bases para a inovação, o DOE Office of Science financia projetos e instalações de usuários que apoiam a pesquisa de sensores.

Criação de materiais para detecção

Como narizes, os sensores dependem de uma combinação de componentes para detectar e dar sentido aos gases ou produtos químicos no ar. Em humanos, moléculas flutuam em seu nariz e se ligam a neurônios especiais. Os neurônios então passam a mensagem para o cérebro. Em sensores, o material dentro do sensor atua como um neurônio. Quando esse material interage com um produto químico no ar, pode emitir luz, mudar sua capacidade de conduzir eletricidade, ou mudar de forma. Os materiais e eletrônicos em torno do material de detecção comunicam essa mensagem ao "cérebro do sensor, "se esse cérebro é um computador ou um sinal de alerta como uma sirene.

O desenvolvimento do sistema nervoso e do cérebro dos sensores é um trabalho para a ciência aplicada. Pesquisas fundamentais, como o trabalho nos laboratórios do Office of Science, estabelecem as bases para essa ciência aplicada. Em particular, esta pesquisa está expandindo a compreensão dos cientistas sobre os próprios materiais e como produzi-los.

Três tipos de materiais de ponta oferecem grande potencial para uso em sensores:nanopartículas, materiais bidimensionais (2-D), e estruturas metal-orgânicas (MOFs). Nanopartículas são partículas minúsculas maiores do que átomos, mas agem de maneira fundamentalmente diferente de partículas maiores da mesma substância. Materiais 2-D, como grafeno, folhas de formulário com apenas um único átomo de espessura. MOFs são compostos feitos de íons metálicos ligados entre si por conectores à base de carbono.

Todos esses materiais têm áreas superficiais enormes em comparação com seus tamanhos gerais. Como muitas moléculas de gás podem interagir com suas superfícies, eles podem ser sensíveis a pequenas quantidades de produtos químicos. Além disso, os cientistas podem transformar todos esses materiais em uma variedade de estruturas. Essa personalização pode permitir que os pesquisadores criem materiais especiais para detectar um determinado produto químico.

Nanopartículas de sulfeto de zinco

A chave para construir um sensor melhor pode estar em fazer seu material de detecção de nanopartículas. Infelizmente, é um desafio fabricar algumas das nanopartículas mais promissoras. Sensores para hidrogênio e outros gases já utilizam o material sulfeto de zinco. A produção de sulfeto de zinco na forma de nanopartículas pode torná-lo mais barato e eficaz. Mas o processo atual de produção de nanopartículas de sulfeto de zinco envolve temperaturas muito altas, pressões, e produtos químicos tóxicos.

Cientistas do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE investigaram um mais barato, processo de produção de nanopartículas mais eficiente. Pesquisadores apoiados tanto pelo Advanced Manufacturing Office do DOE quanto pelo Office of Science descobriram que os micróbios podem oferecer um caminho alternativo para o futuro.

Não basta qualquer bactéria. Os cientistas usaram Thermoanaerobacter, uma bactéria que normalmente vive em locais extremamente quentes e sem oxigênio. Depois de adicionar um açúcar barato e produtos químicos que incluíam zinco e enxofre, a bactéria produziu cerca de três quartos de libra de nanopartículas de sulfeto de zinco. O processo era 90% mais barato do que os métodos atuais.

Materiais 2-D em crescimento

Os materiais bidimensionais são uma forma especial de nanomateriais com apenas alguns átomos de espessura. Eles têm uma área de superfície tão grande em comparação com seu volume que fornecem muito espaço para as moléculas de gás interagirem e são capazes de conter um grande número delas. Mas os materiais 2-D agem de maneira tão diferente de suas contrapartes normais de "volume" que os cientistas não têm uma boa compreensão de como eles crescem. Sem esse entendimento, os fabricantes não podem produzir consistentemente versões de alta qualidade deles.

Para resolver este problema, Os cientistas do ORNL exploraram uma maneira melhor de cultivar seleneto de gálio material 2-D (GaSe). À medida que cresciam o material em um recipiente cheio de gás argônio, eles descobriram que, ao mudar a temperatura e o fluxo do gás, eles podiam alternar entre depositar e retirar átomos. Mas apenas descobrir como alternar entre os dois estados não lhes disse o que estava realmente acontecendo no nível químico.

"Para visualizar o que estávamos fazendo no laboratório, precisávamos de alta resolução, instalações de última geração, bem como ferramentas de diagnóstico in situ, "disse Tolga Aytug, um cientista ORNL. Para obter esse nível de precisão, a equipe recorreu ao Center for Nanophase Materials Sciences, uma instalação de usuário do Office of Science no ORNL. As ferramentas lá os ajudaram a ver como os processos que eles usaram para cultivar o material afetaram sua estrutura e propriedades. Com base nessas informações, eles refinaram seus métodos para obter as características que desejavam.

No futuro, os cientistas podem ser capazes de combinar vários materiais 2-D em materiais finos, sensores versáteis. "A beleza dos materiais 2-D é que você pode empilhar as diferentes camadas juntas para fazer algum material artificial, "disse Kai Xiao, um cientista ORNL. Esses materiais artificiais seriam capazes de detectar uma variedade de substâncias químicas diferentes, em vez de apenas uma.

Estruturas Metal-Orgânicas

Os íons de metal e conectores à base de carbono de MOFs se formam abertos, estruturas semelhantes a gaiolas. Um MOF de apenas alguns centímetros de largura tem incríveis 2,5 acres de superfície. Isso fornece muito espaço para as moléculas interagirem.

Como resultado, Os MOFs podem detectar níveis mínimos de produtos químicos. Os cientistas controlam quais produtos químicos desejam que um MOF detecte alterando o tamanho de seus espaços, Sua forma, ou como suas partes se ligam.

"Para que um sensor baseado em MOF funcione, tem que ser muito seletivo e muito sensível, "disse Praveen Thallapally, um cientista do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE.

Um benefício específico dos MOFs é sua capacidade de acomodar novas moléculas alterando suas estruturas. Cientistas do PNNL descobriram que um MOF com base de zinco pode capturar cobalto e cobre. Quando esses metais saíram da molécula, o MOF voltou à sua estrutura original. Isso significa que depois que um produto químico se liga a um MOF e aciona um sensor, alguém poderia redefinir e reutilizar o sensor sem a necessidade de substituir o MOF.

Grande parte da pesquisa em andamento sobre MOFs concentra-se em como descobri-los e criá-los. Os materiais iniciais tradicionais dos MOFs são rígidos e difíceis de trabalhar. Em contraste, polímeros (cadeias flexíveis de moléculas) são mais fáceis de controlar. Contudo, eles geralmente se agrupam em denso, aglomerados desorganizados. Para aproveitar as vantagens de cada um, cientistas da Universidade da Califórnia, San Diego encontrou uma maneira de usar polímeros para construir MOFs. O uso de ambos permite que os pesquisadores combinem a consistência dos MOFs e a grande área de superfície com a facilidade de uso dos polímeros. Os pesquisadores usaram os materiais híbridos para criar filmes finos, que são normalmente usados ​​em sensores.

O próximo avanço na pesquisa do MOF pode vir da modelagem por computador. O uso de tentativa e erro para descobrir qual estrutura irá interagir melhor com um produto químico específico pode levar anos e ser muito caro. Em contraste, Modelos de computador poderosos que usam aprendizado de máquina permitem que os cientistas encontrem o material certo em poucos dias.

Cientistas do PNNL em busca de um MOF que pudesse selecionar entre xenônio e criptônio colaboraram com o National Energy Research Scientific Computing Center, uma instalação de usuário do Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE. Depois de pesquisar em mais de 120, 000 opções, seu modelo de computador apontou para um material à base de cálcio que se destacou nessa tarefa.

Conectando o nariz ao corpo

Um ótimo material de detecção é essencial, mas não funcionará por si só. Assim como um nariz precisa de um corpo e cérebro, os materiais de detecção precisam fazer parte de um mecanismo maior. Infelizmente, fazer com que esses materiais funcionem juntos dentro de um sensor costuma ser um desafio.

Impressão de tinta de nanopartículas

"Tinta" feita de nanopartículas sensoriais impressas em papel, plástico, borracha, ou o tecido pode permitir que os engenheiros criem sensores menores e mais flexíveis.

"Fazer partículas é uma coisa. Mas a partir dessas partículas, fazer uma tinta funcional não é trivial, "disse o cientista Pooran Joshi do ORNL, em um eufemismo ligeiro.

Um estudo do ORNL abordou a melhor maneira de transformar nanopartículas à base de cobre em tinta de alta qualidade. Ao brilhar uma luz de alta intensidade por apenas alguns milionésimos de segundo, os cientistas fundiram as nanopartículas sem derreter a superfície por baixo. Quando a tinta de nanopartículas à base de cobre se fundiu, criou uma superfície impressa. Os pesquisadores então usaram a superfície impressa como um componente em um sensor de temperatura.

Combinando Nanotubos e Nanocristais

Os cientistas sabem que sensores feitos de nanotubos e nanocristais podem detectar tão pouco quanto uma parte por milhão de um gás - se ao menos eles conseguissem fazer esses dois materiais funcionarem juntos.

Ralu Divan e sua equipe da ANL descobriram uma maneira de adicionar nanocristais de óxido de zinco - que já é usado em sensores - aos nanotubos de carbono. Sensores que usam os dois juntos podem ser muito mais sensíveis ao metano do que a tecnologia atual. Ao colocar os nanocristais de óxido de zinco, átomo por átomo, eles criaram um fino, camada consistente no topo dos nanotubos. Com este processo, as empresas podem controlar com precisão a espessura e a cobertura do óxido de zinco.

Para examinar as ligações entre os nanocristais e nanotubos, a equipe contou com o Center for Nanoscale Materials, uma instalação de usuário do Office of Science na ANL. "Ter tudo em um só lugar economizou muito tempo e fomos capazes de nos mover mais rápido do que esperávamos, "disse Divan.

Como resultado, eles desenvolveram um sensor que pode detectar concentrações de metano muito mais baixas do que as anteriores. Os operadores podem usá-lo novamente em segundos, em vez de minutos ou horas.

Este sensor melhorou tanto na tecnologia existente que em 2016, A revista R&D 100 a reconheceu como finalista da R&D 100. A equipe de pesquisa agora está trabalhando com o projeto Array of Things, uma colaboração entre a Universidade de Chicago e ANL. Como parte do esforço para coletar dados em tempo real de centenas de sensores em Chicago, a equipe do Array of Things prevê o uso desses sensores de metano no futuro.

Projetos como o Array of Things têm o potencial de transformar cidades em redes de sensores, colocar olhos e narizes digitais em toda a paisagem construída. Mas essas redes e tecnologias não seriam possíveis sem uma base científica sólida. Nada se compara à versatilidade do nariz humano, mas a pesquisa que o Office of Science está apoiando ajuda a preencher as lacunas de nossas capacidades biológicas.