A escrita a laser pode permitir 'nariz eletrônico' para multi

29 de junho de 2022

Por Ashley J. Wenners Herron, Pennsylvania State University

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 no College of Engineering, e Lauren Zarzar, professor assistente de química no 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 na ACS Applied Materials & Interfaces.

"A detecção de gases é de importância crítica para vários campos, incluindo monitoramento de poluição, garantia de segurança pública e cuidados pessoais de saúde", disse Cheng. “Para atender a essas necessidades, os dispositivos de detecção devem ser pequenos, leves, baratos e fáceis de usar e 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 exata de diferentes gases-alvo ao mesmo tempo. É aí que entra a experiência de Zarzar com a escrita a laser.

"As técnicas de escrita a laser dão liberdade de design para 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 de 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, acionando o mecanismo de detecção. Com a escrita a laser, os pesquisadores dissolvem sais metálicos em água e focam o laser na solução. A alta temperatura decompõe a solução, deixando para trás nanopartículas de óxido de metal 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 matrizes 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 em estreita proximidade, na microescala mais fina. Poucas técnicas de padronização têm a resolução para fazer isso, mas a abordagem detalhada neste estudo sim. Planejamos usar as técnicas e materiais descritos aqui para desenvolver protótipos de nariz eletrônico."

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

“Essa descoberta apóia 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 induzido 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 novos sensores personalizáveis”.