Pesquisadores criam sensor de temperatura ultrassensível

Material foi descrito na revista Scientific Reports e pode ser utilizado em processos industriais e biológicos

Um “termômetro” de dimensões mínimas (na forma de filme fino ou partículas micrométricas ou mesmo nanométricas); apto a operar em tempo real e em regiões muito bem definidas (com resolução espacial variando do centímetro ao micrômetro); e capaz de medir temperaturas com excepcional sensibilidade, na ampla faixa de 80 Kelvin (K) (193 ºC negativos) a 750 Kelvin (476 ºC): este recurso já existe.

Trata-se de um sensor de temperatura que praticamente não altera a temperatura do objeto medido. O dispositivo foi criado em laboratório por pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) e da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e está em processo de patenteamento para produção comercial.

O sensor foi descrito em artigo na revista Scientific Reports, do grupo Nature. Os responsáveis pela novidade são Fernando Alvarez e Diego Scoca (Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp) e Antonio Ricardo Zanatta (Instituto de Física de São Carlos da USP). A pesquisa tem apoio da FAPESP por meio do Projeto Temático “Pesquisa e desenvolvimento de materiais nanoestruturados para aplicações eletrônicas e de física de superfícies”, coordenado por Alvarez.

Foto: Scarpa
O professor Fernando Alvarez, coordenador do projeto temático

“O sensor de temperaturas consiste em um sistema composto por dióxido de titânio (TiO2) dopado com íons de túlio (Tm3+). Pelo fato de ser capaz de medir um espectro muito amplo de temperaturas, pode ser usado tanto no sensoriamento de processos industriais, nos quais a temperatura alcança, às vezes, patamares bastante elevados, até processos biológicos, muito sensíveis às menores variações de temperatura”, disse Alvarez à Agência FAPESP.

Quando excitado por um pulso de laser, o material emite luz com comprimento de onda sensível à temperatura do meio em que se encontra. É a medição muito precisa do comprimento de onda que permite determinar a temperatura do meio.

“A variação do comprimento de onda da emissão luminosa é absolutamente linear entre 80 K e 750 K. E o equipamento se mantém íntegro e estável em toda essa faixa de temperaturas”, disse Zanatta. “No presente estágio, dispusemos o material sob a forma de filme fino. Com ele, é possível cobrir, em tese, qualquer superfície: plana, curva, lisa ou rugosa. O material também pode ser apresentado como micro ou nanopartículas.”

Este desdobramento tecnológico ainda não existe, mas, em princípio, seria possível encapsular o emissor de laser, o sensor de temperatura, o detector de comprimento de onda e um radiocomunicador dentro de uma pequena drágea.

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Antonio Ricardo Zanatta, do Instituto de Física de São Carlos da USP | Foto: Divulgação

Engolida com um pouco d’água, a drágea poderia fornecer informações sobre a temperatura ao longo do trato digestivo, até ser eliminada do organismo na extremidade oposta: um cenário futurista, porém não tão distante da ciência já disponível.

“Uma utilização bem mais simples, que pode ser viabilizada rapidamente, é depositar o material sensor em um substrato plástico e aplicá-lo sobre a pele. Importante destacar que, além de abundante e fácil de obter, o óxido de titânio é biocompatível, portanto, não tóxico. Já é empregado atualmente em muitas próteses na área médica”, disse Alvarez.

As aplicações do sensor vão desde a identificação de hotspots em equipamentos eletrônicos até a detecção de infecções virais ou bacterianas em regiões específicas do organismo.

Na forma de filme fino, o material pode se estender desde centímetros a metros quadrados e ser aplicado sobre as superfícies de componentes de veículos terrestres ou aeronaves ou de transformadores da rede elétrica. Na forma de partículas micrométricas ou nanométricas, pode ser disperso em meio líquido, mantendo-se, no entanto, sólido.

Foto: Scarpa
Diego Scoca, do Instituto de Física da Unicamp

O processo de patente do sensor está correndo, com apoio da Inova Unicamp.

“Pelo fato de o dispositivo ser óptico, é possível obter a informação sobre a temperatura do objeto de interesse sem entrar em contato físico direto com esse objeto. Basta projetar um feixe de laser sobre o sensor e observar como ele responde. Medindo-se o comprimento de onda da luz emitida pelo sensor por meio de um detector, é possível determinar, com grande precisão, a temperatura do objeto”, disse Zanatta.

A variação do comprimento de onda é de aproximadamente 2 picômetros (2x10-12 m) por grau de temperatura. Por meio da espectroscopia, essa variação mínima de comprimento de onda pode ser registrada pelo detector. Porém, a necessidade de um detector, dedicado a fazer o registro, constitui, no estágio atual, um dos fatores limitantes, tanto em termos de custo quanto de uma maior portabilidade do dispositivo.

“Hoje, a instrumentação associada é cara, porque são necessários um laser e um detector. Mas acreditamos que, à medida que a tecnologia avance, será possível fazer um dispositivo integrado, reunindo laser de semicondutor, sensor de temperatura e detector. E, passando da escala de laboratório para a escala industrial, poderemos baratear muito os custos”, afirmou Zanatta.

O artigo A suitable (wide-range + linear) temperature sensor based on Tm3+ ions (doi:10.1038/s41598-017-14535-1), de A. R. Zanatta, D. Scoca e F. Alvarez, pode ser lido em: e www.nature.com/articles/s41598-017-14535-1.epdf .