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Pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) têm estudado estratégias para a detecção de gases motivados principalmente pelo crescimento dos casos de intoxicação acidental por monóxido de carbono causados (CO), sobretudo, pelo uso de aquecedores domésticos. A mais recente solução descrita pelo grupo é uma partícula sensora à base de óxido de cério e cobalto capaz de detectar a presença de CO em apenas três segundos.
O CDMF é um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) da FAPESP sediado na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
Em artigo, publicado no periódico Open Ceramics, os pesquisadores descrevem o processo de obtenção de partículas de óxido de cério (IV) – CeO2 – dopadas com cobalto (Co) pelo método conhecido como síntese hidrotermal assistida por micro-ondas, que, por meio de alta radiação eletromagnética, converte energias rotacionais e vibracionais em energia térmica.
A finalidade do estudo foi investigar o comportamento estrutural, morfológico, espectroscópico e elétrico desses sistemas quando expostos ao monóxido de carbono, em função da modificação com cobalto.
O processo de dopagem é a introdução de elementos extrínsecos à rede cristalina, a fim de gerar alterações nas propriedades do material. Quando, durante a dopagem, foi realizada a substituição de certos átomos de cério pelo dopante, o cobalto entrou na estrutura cristalina original sem gerar um outro óxido, ou seja, sem formar a chamada fase secundária.
Para que o processo de condução elétrica se inicie, o sistema demanda uma determinada energia de ativação, que é modificada por meio das alterações nas configurações ao longo da rede cristalina, originadas pela dopagem. No estudo, os pesquisadores verificaram a presença de duas energias de ativação distintas no processo de condução elétrica.
Esse resultado confirma o mecanismo de transferência de cargas localizadas ao longo da rede cristalina, que no cério se dá por meio dos saltos quânticos dos elétrons, dos átomos originais ou dos chamados clusters (aglomerados) de defeitos (ou CCCT, do inglês cluster-to-cluster charge transfer), presentes em função da dopagem.
O mecanismo, portanto, resulta em um tempo de resposta ao monóxido de carbono de apenas três segundos.
“A investigação por espectroscopia de aniquilação de pósitrons [PALS] permitiu analisar o tamanho e a concentração dos clusters de defeitos presentes na estrutura, demonstrando que as vacâncias de oxigênio – a ausência de átomos de oxigênio em uma estrutura – são formadas preferencialmente próximas aos íons de cobalto, gerando uma redução e levando à formação de clusters complexos de carga neutra”, explicou Leandro Silva Rosa Rocha, pesquisador do CDMF e coautor do estudo.
“Tínhamos um material com tempo de resposta ao monóxido de carbono de 98 segundos, para o sistema puro [sem a dopagem]. Ou seja, uma vez exposto ao gás, o material puro demorava 98 segundos para apresentar uma resposta sensora. Quando modificado com 4% de cobalto, o tempo de resposta melhorou consideravelmente, levando apenas três segundos para detectar a presença do gás”, conta o pesquisador.
O estudo contou com financiamento da FAPESP por meio de outros dois projetos (20/02352-5 e 18/20590-0). Também assinam o artigo pesquisadores da Universidade Federal de Itajubá (Unifei), do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), da Escola de Engenharia da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Guaratinguetá, da Universidade Nacional de Mar del Plata (UNMdP) e do Instituto de Física de Materiais da Universidade Nacional do Centro da Província de Buenos Aires (UNCPBA) – os dois últimos da Argentina.
Etapas futuras da pesquisa incluem experimentos mais detalhados para comprovar a capacidade sensora do material de forma reversível e duradoura, visando sua aplicação em dispositivos sensores, como aqueles encontrados em detectores de fumaça de uso doméstico.
O artigo High-performance CeO2:Co nanostructures for the elimination of accidental poisoning caused by CO intoxication pode ser lido aqui.
*Com informações da Assessoria de Comunicação do CDMF.
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