Photonic materials and devices: from nanoparticles to fiber optic chemical sensors = Materiais e dispositivos fotônicos: de nanopartículas a sensores químicos de fibra óptica

Autor(es)

Marco César Prado Soares

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2024-02-23

Membros da banca

Eric Fujiwara; Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia; Julio Roberto Bartoli; Patricio Salvatore La Rosa; Thiago Destri Cabral

• Orientador: Eric Fujiwara

Resumo

Atualmente, diversas técnicas e materiais estão disponíveis para a fabricação de fibras ópticas, guias de onda e sensores ópticos, mas ainda existem lacunas tecnológicas. Sensores com menores custos e menores dificuldades de fabricação, processamento de sinais e viabilidade; ou obtidos por metodologias menos agressivas como dispositivos biodegradáveis ou mais ecológicos são exigidos. No caso do monitoramento de processos químicos e bioquímicos, características inerentes às fibras ópticas como resistência ambiental e eletromagnética também são desejáveis, uma vez que condições térmicas, químicas e mecânicas severas geralmente estão presentes. Este trabalho propõe, então, o projeto e fabricação de materiais e dispositivos fotônicos nos quais nanotecnologia e tecnologia de fibra óptica são exploradas para obter processos mais sustentáveis e dispositivos com características interessantes para operação em linha. Novos nanomateriais fluorescentes da classe dos carbon nanodots (CDs, partículas com diâmetros da ordem de 10 nm ou menos) foram sintetizados a partir de três fontes naturais (xarope de cana-de-açúcar, suco de laranja e leite UHT), e as partículas à base de cana-de-açúcar foram ocluídas em uma matriz de hidrogel (gelatina) para serem introduzidas em uma fibra óptica polimérica microestruturada. Assim, um guia de onda capaz de emitir e conduzir luz visível foi fabricado como uma alternativa "verde" à incorporação de terras-raras e metais pesados na fabricação de fibras luminescentes. Outro hidrogel com melhores propriedades mecânicas (agarose) foi dopado com nanocompósitos de SiO2-CDs para obtenção de um sensor de pH fluorescente, biodegradável e biocompatível, útil na recuperação de informações para análise offline. Não bastasse, verificou-se que nanocompósitos CDs-PMMA podem ser combinados a células solares. Um aumento de 11.3% na eficiência de conversão das células foi observado, revelando um grande potencial para aplicações em optoeletrônica e energias renováveis. Sensores de fibra óptica também foram projetados e aplicados a importantes meios químicos e bioquímicos. Um sistema de sensoriamento capaz de detectar velocidade e índice de refração (IR) em misturas bifásicas gás-água, óleo-água e gás-óleo foi impresso (3D) como um dispositivo milifluídico com uma fibra com rede de Bragg inclinada, mostrando importantes aplicações em petroquímica. Um sensor de IR baseado em smartphone foi então projetado para a avaliação em tempo real de fermentadores em batelada alimentada. O projeto atende a alguns requisitos da "Indústria 4.0": o sensor é destinado ao monitoramento em campo e fabricação rápida no local, contando com um case simples impresso em 3D para acoplamento de fibras ópticas à câmera e ao LED do celular. Um aplicativo é então responsável por processar dados de intensidade de luz e correlacionar as variações de sinal ao IR do caldo fermentativo, função da concentração de sacarose segundo a lei de Fresnel. Finalmente, um sensor de espalhamento dinâmico da luz baseado em uma configuração de refletância de Fresnel totalmente óptica aplica redes neurais artificiais para detectar distúrbios de concentração e realizar a avaliação simultânea de concentração e velocidade de fluxo de nanofluidos. Esses nanofluidos foram obtidos pela síntese de nanopartículas de SiO2 (diâmetro de 195 nm) e dispersão delas em água. Da química, petroquímica e mineração tradicionais aos alimentos e biotecnologia avançada, várias indústrias precisam lidar com nanofluidos e suspensões coloidais. Portanto, há uma gama de aplicações práticas importantes desse sensor no controle e monitoramento de instalações (AU)

• Processo FAPESP: 19/22554-4 - Projeto e fabricação de fibras ópticas não-convencionais para sensoriamento químico
• Beneficiário: Marco César Prado Soares
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado