Tecnologia Científica

Novo sensor de hidrogênio inspirado em borboletas é alimentado por luz
O sensor pode detectar hidrogênio em concentrações de apenas 10 partes por milhão de moléculas (para diagnósticos médicos) a 40.000 partes por milhão (o nível em que o gás se torna potencialmente explosivo).
Por RMIT University - 02/12/2020


O pesquisador PhD Ebtsam Alenezy segura um protótipo do sensor de hidrogênio ativado por luz, que pode fornecer resultados ultraprecisos em temperatura ambiente. Crédito: RMIT University

Inspirados pela superfície das asas das borboletas, os pesquisadores desenvolveram um sensor de hidrogênio ativado por luz que produz resultados ultraprecisos em temperatura ambiente.

A tecnologia pode detectar vazamentos de hidrogênio muito antes que eles representem riscos à segurança e pode medir pequenas quantidades de gás no hálito das pessoas, para diagnosticar distúrbios intestinais.

Sensores de hidrogênio comerciais funcionam apenas em temperaturas de 150 ° C ou mais, mas o protótipo desenvolvido por pesquisadores da RMIT University em Melbourne, Austrália, é alimentado por luz em vez de calor.

O sensor, baseado em microestruturas irregulares que imitam a superfície das asas das borboletas, é detalhado em um novo estudo publicado na revista ACS Sensors .

O co-pesquisador Dr. Ylias Sabri disse que o protótipo era escalável, econômico e oferecia um pacote total de recursos que não poderiam ser combinados por nenhum sensor de hidrogênio atualmente no mercado.

"Alguns sensores podem medir pequenas quantidades, outros podem detectar concentrações maiores; todos eles precisam de muito calor para funcionar", disse Sabri.

"Nosso sensor de hidrogênio pode fazer tudo - é sensível, seletivo, funciona em temperatura ambiente e pode detectar em uma ampla gama de níveis."

O sensor pode detectar hidrogênio em concentrações de apenas 10 partes por milhão de moléculas (para diagnósticos médicos) a 40.000 partes por milhão (o nível em que o gás se torna potencialmente explosivo).

O co-pesquisador Dr. Ahmad Kandjani disse que a ampla faixa de detecção o torna ideal para uso médico e para aumentar a segurança na economia emergente do hidrogênio.

O sensor é feito com um chip eletrônico, que é coberto por uma fina camada de
cristais fotônicos e, em seguida, um composto de titânio e paládio.
Crédito: RMIT University

"O hidrogênio tem potencial para ser o combustível do futuro, mas sabemos que os temores de segurança podem afetar a confiança do público nesta fonte de energia renovável", disse ele.

"Ao fornecer tecnologia de detecção precisa e confiável que pode detectar o menor dos vazamentos, bem antes que se tornem perigosos, esperamos contribuir para o avanço de uma economia de hidrogênio que pode transformar os suprimentos de energia em todo o mundo."

Saliências da borboleta: como funciona o sensor

O núcleo inovador do novo sensor é feito de pequenas esferas conhecidas como cristais fotônicos ou coloidais.

Essas formas ocas, semelhantes às minúsculas saliências encontradas na superfície das asas de uma borboleta, são estruturas altamente ordenadas e ultraeficientes na absorção de luz.
 
Essa eficiência significa que o novo sensor pode extrair toda a energia de que precisa para operar de um feixe de luz, em vez de calor.

Ph.D. O pesquisador e primeiro autor Ebtsam Alenezy disse que o sensor de temperatura ambiente era mais seguro e mais barato de operar, em comparação com sensores de hidrogênio comerciais que normalmente operam de 150C a 400C.

"Os cristais fotônicos permitem que nosso sensor seja ativado pela luz e também fornecem a consistência estrutural que é crítica para um sensoriamento confiável de gás", disse ela.

"Ter uma estrutura consistente, qualidade de fabricação consistente e resultados consistentes são vitais - e é isso que a natureza nos entregou por meio dessas formas bioinspiradas.

Essas minúsculas esferas ocas conhecidas como cristais fotônicos, inspiradas na
superfície irregular das asas de uma borboleta, são o núcleo inovador do
novo sensor de hidrogênio. Imagem ampliada 40.000 vezes.
Crédito: RMIT University

"O processo de fabricação bem desenvolvido para cristais fotônicos também significa que nossa tecnologia é facilmente escalável para níveis industriais, já que centenas de sensores podem ser produzidos rapidamente de uma vez."

Para fazer o sensor, um chip eletrônico é primeiro coberto com uma fina camada de cristais fotônicos e, em seguida, com um composto de titânio e paládio.

Quando o hidrogênio interage com o chip, o gás é convertido em água. Este processo cria uma corrente eletrônica e medindo a magnitude da corrente, o sensor pode dizer com precisão quanto hidrogênio está presente.

Ao contrário de muitos sensores comerciais que lutam na presença de óxido de nitrogênio, a nova tecnologia é altamente seletiva para que possa isolar com precisão o hidrogênio de outros gases.

Aplicações médicas

Com níveis elevados de hidrogênio conhecidos por estarem ligados a distúrbios gastrointestinais, a tecnologia tem forte potencial para uso em diagnóstico e monitoramento médico.

Atualmente, a abordagem diagnóstica padrão é por meio de amostras respiratórias, que são enviadas aos laboratórios para processamento.

Sabri disse que o novo chip pode ser integrado a um dispositivo portátil para fornecer resultados instantâneos.

"Com condições intestinais, a diferença entre níveis saudáveis ​​de hidrogênio e níveis prejudiciais à saúde é minúscula - apenas 10 partes por milhão - mas nosso sensor pode medir com precisão essas pequenas diferenças", disse ele.

Um pedido provisório de patente foi depositado para a tecnologia e a equipe de pesquisa espera colaborar com fabricantes de sensores de hidrogênio , células de combustível, baterias ou empresas de diagnóstico médico para comercializar o sensor.

 

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