O que são Nanossensores? Como e Onde Eles são Usados?

Imagine ter que medir a temperatura de células vivas individuais. Como a célula tem cerca de 0,010 mm (0,00004") de tamanho, os fios do termopar (se esse for o método escolhido) teriam que ter menos de um mícron de diâmetro. Esse é o campo dos nanossensores.

Esse Guia de Referência da OMEGA Engineering define nanotecnologia e analisa como ela está possibilitando novos tipos de sensores. Ele aborda as novas aplicações de medição que esses sensores estão possibilitando e destaca as vantagens de usar sensores compactos. Uma ênfase especial é colocada na medição de temperatura com termopares compactos. Apesar de poucos engenheiros precisarem trabalhar na escala nano, os ensinamentos são aplicáveis a muitos campos.

As seções individuais abordam:

• Nanotecnologia e nanossensores
• Apoio federal para pesquisa
• Exemplos de aplicações de nanodetecção
• Vantagens de sensores compactos
• Medição de temperatura em pequena escala

"Nano" se refere a objetos medidos em nanômetros, ou bilionésimos de metro. Para pôr isso em perspectiva, uma folha de papel tem cerca de 100.000 nanômetros de espessura e um fio de cabelo loiro mede cerca de 30.000 nanômetros. Nessa escala, a área de superfície tem um efeito maior no comportamento do material do que em objetos maiores. Como resultado, propriedades como condutividade, refletividade e magnetismo mudam quando comparadas a corpos grandes.

O aproveitamento dessas propriedades bastante especiais é visto como tendo grande potencial para melhorar a assistência médica e desenvolver materiais novos e de alto desempenho. Para catalisar o trabalho nesses campos, o Governo Federal dos EUA lançou a Iniciativa de Nanotecnologia Nacional (NNI, na sigla em inglês). Esse programa financia o trabalho em pesquisa sobre nanotecnologia.

Uma subdivisão desse esforço, uma "Iniciativa de Assinatura de Nanotecnologia" (NSI, na sigla em inglês), é o desenvolvimento de nanossensores. Isso não se refere ao tamanho do sensor (apesar de que alguns podem ter escala nano), mas sim a que o sensor pode operar na escala nano. Um exemplo é a detecção de contaminantes de tamanho nano carregados pelo ar.

A expectativa é que esses sensores proporcionarão, "... novas soluções de detecção em física, química e biológica que permitirão maior sensibilidade de detecção, especificidade e capacidade multiplicadora em dispositivos portáteis para uma ampla variedade de áreas na saúde, segurança e meio ambiente." Como um documento da NSI aponta, “... novos nanossensores de alto desempenho já demonstraram rápida resposta e maior sensibilidade com um tamanho reduzido.”

Nanossensores têm aplicações em defesa, na área médica e de saúde e em produtos para o consumidor. Aqui estão alguns exemplos:

Detecção de produtos químicos transportados pelo ar: Estes sensores utilizam a mudança na condutividade elétrica que ocorre quando moléculas se ligam a nanofios feitos de materiais semicondutores como óxido de zinco. Uma aplicação é a detecção de níveis excessivos de monóxido de carbono.

Detecção de bactérias e vírus: Estes também usam mudanças na condutividade elétrica, nesse caso, a dos nanotubos de carbono ao quais está ligado um anticorpo. Quando uma bactéria ou vírus de combinação se liga ao anticorpo, uma mudança da condutividade pode ser medida.

Medição da temperatura de células vivas: Pesquisadores das Universidades de Berkeley (Califórnia) e Princeton desenvolveram "nanotermômetros" que poderiam ser inseridos em células individuais. Em vez de usar fios de termopar convencionais, sua técnica emprega cristais semicondutores que mudam de cor conforme muda a temperatura. Em uma escala mais ampla, cientistas regularmente usam termopares de bitola fina para medir temperaturas em tecidos ex vivo, como quando investigam os efeitos de aquecimento do ultrassom.

Medição de temperatura de nanofluidos: Gerenciamento de calor é um assunto em ascensão, especialmente na área de eletrônica, e pesquisas estão sendo feitas para desenvolver nanofluidos com características superiores de condutividade térmica. Nesse caso, sensores são necessários para se medir esses efeitos "nano".

A redução do tamanho do sensor tem muitas vantagens:

Para ilustrar esses pontos, considere as vantagens do uso de termopares de bitola fina desembainhados para medição de temperatura.

Há uma correlação entre tempo de resposta e medida do fio. Por exemplo, dados da OMEGA mostram que enquanto um termopar usando um fio de 0,75 mm (0,03") de diâmetro precisa de 40 segundos para responder a uma determinada mudança na temperatura do ar, um de 0,025 mm (0,0010") precisa de somente 0,05 segundos.

Assim, o uso de fios desencapados de bitola fina leva a uma grande melhora da resolução baseada em tempo. Isso permite respostas de controle mais rápidas, possivelmente melhorando a qualidade em processos críticos quanto à temperatura, e produz uma densidade de dados maior que é útil quando se tenta perceber efeitos transitórios.

Tentar medir um fenômeno pequeno com uma ferramenta relativamente grande ocasiona uma relação sinal-ruído ruim [imagine a medição do diâmetro de um fio fino com uma régua de 30,5 cm (12")]. Ajustar a escala do sensor às características do que se está medindo melhora a qualidade dos dados.

A qualidade dos dados também é melhorada através de um posicionamento mais preciso do sensor. No caso de um termopar, um que for feito com fio de bitola fina pode geralmente ser colocado mais próximo da fonte de calor ou do lugar desejado.

Encolher o tamanho do sensor de medição (nesse caso, um termopar) significa que mais deles podem ser usados em uma determinada área. Isso aumenta a densidade espacial de dados adquiridos, permitindo um acompanhamento mais preciso de efeitos como fluxo de calor.

Em muitas situações, especialmente quando quantidades muito pequenas estão sendo medidas ou medições precisas são feitas, a influência do sensor no fenômeno se torna um problema. Um acelerômetro adiciona massa a um sistema de movimento, potencialmente modificando os resultados, e um termopar pode fazer o mesmo ao retirar calor de um local de medição. O mesmo se aplica quando se mede a temperatura de um fluido em movimento; um termopar maior cria uma maior perturbação no fluxo. Todos esses exemplos ilustram as vantagens de minimizar o tamanho e a massa do sensor.

Nanotecnologia é um campo de pesquisa muito ativo, e tem implicações específicas para a tecnologia de sensores. Nanomateriais, tanto sólidos quanto fluidos, estão permitindo o desenvolvimento de novos produtos, incluindo sensores compactos que podem ser incorporados em uma ampla variedade de dispositivos. Entretanto, isso também leva a ser necessário ter capacidade de detecção a uma escala nano, como quando se medem mudanças de temperatura.

Dispositivos de medição compactos, como termopares de bitola fina desembainhados, oferecem a capacidade de melhorar tanto a densidade quanto a qualidade dos dados coletados. Encolher o termopar proporciona resposta mais rápida, reduz o impacto no fenômeno sendo estudado, e permite que mais desses dispositivos sejam incorporados em uma determinada área. Com financiamento do governo federal dos EUA apoiando o trabalho com nanotecnologia, o crescimento contínuo das aplicações de medição em escala nano está assegurado.