Dois não encapsulados e laváveis

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12288 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os materiais adotados em sensores de gás eletrônicos, como sensores de NO2 quimiorresistivos, para integração em roupas não sobrevivem a ciclos de lavagem padrão devido ao efeito combinado de produtos químicos agressivos em líquidos de lavagem e abrasão mecânica. A falha do dispositivo pode ser atenuada usando materiais de encapsulamento, o que, no entanto, reduz o desempenho do sensor em termos de sensibilidade, seletividade e, portanto, utilidade. Um sensor têxtil eletrônico (e-têxtil) de NO2 altamente sensível foi fabricado em tecido de nylon, que é resistente a ciclos de lavagem padrão, revestindo Óxido de Grafeno (GO) e dissulfeto de GO/Molibdênio (GO/MoS2) e realizando redução in situ do GO para Óxido de Grafeno Reduzido (RGO). O e-têxtil GO/MoS2 foi seletivo para NO2 e apresentou sensibilidade a 20 ppb NO2 em ar seco (0,05%/ppb) e 100 ppb NO2 em ar úmido (60% UR) com um limite de detecção (LOD) de ~ 7,3 ppb. A seletividade e o baixo LOD são alcançados com o sensor operando em temperatura ambiente (~ 20 °C). O sensor manteve sua funcionalidade após passar por 100 ciclos de lavagem padronizada sem encapsulamento. A relação entre temperatura, umidade e resposta do sensor foi investigada. O sensor e-têxtil foi incorporado a um sistema microcontrolador, permitindo a transmissão sem fio dos dados de medição para um telefone celular. Esses resultados mostram o potencial de integração de sensores de qualidade do ar em roupas laváveis ​​para alta resolução espacial (< 25 cm2)—monitoramento da exposição pessoal no corpo.

Milhões de mortes prematuras em todo o mundo foram associadas à má qualidade do ar em ambientes internos e externos1,2. Estudos epidemiológicos sustentam que a exposição a níveis de poluentes além dos limites prescritos (40 µg m−3 – valor médio anual de NO2) pode ter consequências letais, especialmente em crianças3,4, gestantes5,6 e idosos7. Os efeitos indesejados no sistema cardiovascular são evidenciados pela relação observada entre dados de internação hospitalar e atendimentos de emergência e dados de poluição do ar para o mesmo cronograma/sobreposição8,9. Os dados de poluição do ar são coletados principalmente de um número mínimo de locais de monitoramento da qualidade do ar10 ou redes ad hoc11 (ou seja, uma rede composta por dispositivos que se comunicam entre si), instalados em locais fixos com resolução espacial de várias centenas de metros no melhor dos casos, principalmente de alguns quilômetros em áreas urbanas e centenas de quilômetros em áreas rurais. Devido à dispersão espacial, os dados coletados podem ser diferentes dos níveis reais de exposição individual ao longo do dia12. Sensores vestíveis podem resolver esse problema, pois existem no ambiente local do sujeito. No entanto, por razões de conveniência e utilidade, o problema deve ser resolvido de forma não intrusiva. Sensores vestíveis e eletrônicos de última geração visam ser incorporados às roupas do usuário para obter o máximo de conforto para o usuário. Atualmente, existem tecnologias para lidar com a detecção de gás portátil, incluindo adesivos no corpo baseados em polímeros extensíveis13 ou dispositivos rígidos à base de silício envoltos em uma caixa que pode ser colada ao tecido10. Os adesivos corporais são limitados por problemas de baixa respirabilidade e compatibilidade com a pele associados a adesivos ou elásticos adotados nos adesivos para garantir a facilidade de uso, muitas vezes causando irritação na pele e desconforto ao usuário. Ao mesmo tempo, a eletrônica convencional à base de silício é geralmente volumosa e intrusiva, pois não foi originalmente projetada para se adaptar a uma superfície têxtil. Quando usados ​​como substratos para sensores eletrônicos, os materiais têxteis possuem todos os atributos desejáveis ​​para aplicações de sensores vestíveis, como alta flexibilidade, biocompatibilidade com a pele, respirabilidade, conformabilidade a formato e tamanho arbitrários, proximidade do local de medição e podem ser usados ​​por o usuário por longos períodos sem causar desconforto. Sensores que foram integrados com sucesso em têxteis incluem sensores de temperatura, sensores potenciométricos14, sensores táteis15, sensores de umidade16,17, capacitivos18, extensômetros e sensores de pressão19,20. Métodos de fabricação direta e revestimento de materiais de detecção ativa em tecidos, com base em revestimento por imersão18, redução química19,21, prensagem a quente19 e impressão22 tiveram problemas como uniformidade de revestimento, compatibilidade com a pele e baixa capacidade de lavagem, devido à incapacidade do material revestido de formam ligações fortes com as fibras do tecido23. Tentativas de superar essa limitação foram relatadas fabricando sensores à base de têxteis diretamente em fibras e fios, empregando um revestimento controlado do material sensor nas fibras do fio24. Os fios são então tecidos juntos e integrados em sistemas têxteis inteligentes de vestuário25,26 ou não vestuário27. A sensibilidade e a seletividade do sensor fabricado dependem das propriedades do material ativo. Enquanto materiais bidimensionais (2D), como grafeno e materiais relacionados com alta área de superfície (teoricamente 2.630 m2 g-1), mostram sensibilidade muito alta a baixas concentrações de NO2 (até o nível ppb), conforme demonstrado por Yuan et al.— 150 ppb28, Liu et al.—5 ppb29, Fowler et al.—5 ppm30, Shaik et al.—2,5 ppm31, Wang et al.—5 ppm32, Novikov et al.—1 ppb33 sua investigação para detecção de gás foi limitada a fios simples que podem então ser tecidos em tecido26 ou encapsulados. Sensores baseados em grafeno foram demonstrados com sensibilidade de até 250 ppb26. Vários trabalhos também foram realizados com dicalcogenetos de metais de transição em Si/SiO2 para detecção de NO2 com LOD baixo, como MoS2, dissulfeto de tungstênio (WS2) e dissulfeto de estanho (SnS2) devido à sua capacidade de operar em baixa temperatura (100–150 °C )34. Por exemplo, a deposição de vapor químico MoS2 com grafeno foi usada para permitir que um sensor de gás optoeletrônico alcance um LOD de 0,1 ppb e sensibilidade de 4,9%/ppb35. Yang et al.36 demonstraram sensor de gás SnS2 esfoliado em fase líquida (LPE) com uma sensibilidade de 0,3%/ppm com um LOD de 50 ppm, enquanto Ko et al.37 usou deposição de camada atômica WS2 com nanofios de prata em Si/SiO2 para obter um sensibilidade de 0,1%/ppm. Apesar do extenso trabalho publicado até agora sobre grafeno e materiais 2D, como revisado, por exemplo, por Buckley et al.34. A detecção de gás NO2 em substratos têxteis não foi alcançada com alta sensibilidade, baixo LOD e baixa temperatura operacional (< 150 °C). Além disso, um protocolo para habilitar sensores de gás NO2 laváveis ​​com dicalcogenetos de metais de transição ainda não foi demonstrado sem o uso de camadas de encapsulamento.