UFPR recebe patente por sensor de vapor de etanol e metanol presentes na atmosfera

Pesquisadores da Universidade Federal do Paraná (UFPR) receberam a concessão de carta-patente concedida pelo Instituto Nacional de Propriedade Intelectual  (INPI). Chamado de “Dispositivo sensor para vapores de etanol e metanol preparados com tintas condutoras aquosas de poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT),poli(estireno sulfonato) (PSS) e óxido de grafeno (GO)”, a invenção trata de  um dispositivo capaz de detectar vapores de etanol e metanol presentes na atmosfera. 

O dispositivo foi desenvolvido pelos grupos: DiNE (Dispositivos Nanoestruturados), liderado pela professora Lucimara Stolz Roman, do departamento de física da UFPR e do GQM (Grupo de Química de Materiais), liderado pelo professor Aldo Jose Gorgatti Zarbin, do Departamento de Química da UFPR. 

Os demais titulares da patente são: Matheus Felipe Fagundes das Neves, doutor e pós-doutorando em Física UFPR; Leila Seleme Mariano Alves, doutora em Ciência dos Materiais UFPR e funcionária UFPR; João Paulo Vita Damasceno, doutor em Química UFPR e pós doutorando em Química pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) e Oswaldo Donato Lourenço Junior, ex-doutorando em Ciência dos Materiais UFPR e ex funcionário UFPR (hoje falecido).

Uso da patente 

Desde 2013, quando a UFPR recebeu sua primeira patente, várias inovações foram registradas, destacando-se a importância do papel da Agência de Inovação da universidade, vinculada à Superintendência de Parcerias e Inovação (Spin), que auxilia os pesquisadores no processo de solicitação.

As patentes garantem aos inventores os direitos de uso de suas inovações, permitindo-lhes conceder esse uso através da venda da patente ou da concessão de licenças em troca de royalties. No caso das patentes originadas de pesquisas na UFPR, os recursos gerados são revertidos para a universidade.

Segundo a  professora Lucimara Stolz Roman, a concessão do pedido de patentes é de suma importância para o grupo de pesquisa. “O grupo tem como missão proteger as invenções realizadas dentro da UFPR visando a contribuir com algo mais estruturado na parceria com a iniciativa privada”.

Os pesquisadores explicam que a criação do dispositivo ocorreu com o objetivo dos sensores para etanol serem utilizados para detecção de etanol exalado pelo corpo humano e o de metanol para controle de combustíveis, sendo um produto, portanto, com aplicabilidade industrial, especialmente na indústria automotiva. 

O material 

Esses dispositivos foram constituídos por filmes finos formados por tintas condutoras a base de água e preparadas a partir de combinações dos materiais óxido de grafeno (GO), poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e poli (estireno sulfonato) (PSS) resultando em quatro combinações: PEDOT, PEDOT-GO, PEDOT-PSS ou PEDOT-PSS-GO, depositadas por gotejamento (drop casting.) sobre eletrodos interdigitados com distância micrométrica de separação entres os contatos metálicos. Uma técnica produzida pelos próprios laboratórios. 

Matheus Neves explica: “O óxido de grafeno e o PEDOT são sintetizados quimicamente nos nossos laboratórios utilizando materiais ecológicos e com água como solvente da tinta condutora final. O PEDOT-PSS é um material comercial que comumente é utilizado na eletrônica orgânica e apresenta um relativo alto custo de aquisição”. Matheus ainda acrescenta: “ O desenvolvimento dessas tintas sem PSS é feito em larga escala e ajuda a diminuir o custo do produto, mantendo as propriedades elétricas. Já a adição de GO auxilia no ordenamento das cadeias poliméricas, eficiência, estabilidade e condutividade elétrica”. 

O DiNE vem trabalhando na física aplicada com o desenvolvimento de novos dispositivos sensores desde 2004, envolvendo tecnologias de impressão de tintas nanoestruturadas.

Ganhos e eficiência do produto 

O primeiro é a síntese da tinta de PEDOT que barateia o processo e mantém o apelo ecológico de não utilizar solventes potencialmente perigosos para o meio ambiente, não ter surfactantes, aditivos e ser livre de resíduos da síntese. Essa tinta é em água e apresenta características similares à tinta comercial. 

O GO é sintetizado a partir de um minério, a grafite cristalina, que é achada em abundância na natureza e comercializada nacionalmente. A combinação com o material comercial é feita utilizando 97% (em volume de dispersão) do GO e 3% de PEDOT:PSS, resultando em um ganho de 3 ordens de grandeza na condutividade elétrica e respostas de eficiência até 70% durante a exposição aos vapores, quando comparado com o material comercial sozinho e sem tratamentos adicionais. Em ambos os casos a adição de GO aumenta a eficiência e diminui o tempo de resposta e de recuperação, o que faz com que a resposta para uma concentração específica e perigosa seja feita em segundos e que esteja pronto para ser exposto novamente em segundos também. Essa variação é reversível para todos os sensores, que podem ser reutilizados e usados por tempo prolongado. 

Esses materiais são orgânicos e, portanto, os sensores são chamados de sensores orgânicos. Quando comparados aos inorgânicos e comerciais, existe um ganho de eficiência energética. Atualmente, muitos sensores comerciais utilizam semicondutores inorgânicos, como trióxido de molibdênio (MoO3), trióxido de tungstênio (WO3), dióxido de titânio (TiO2), dióxido de estanho (SnO2) e óxido de zinco (ZnO), que operam em temperaturas elevadas (geralmente entre 100 °C e 500 °C). Esses sensores se degradam rapidamente e consomem muita energia. Como alternativa, sensores baseados em polímeros orgânicos, que podem ser sintetizados de maneira relativamente simples e com baixo custo, estão sendo utilizados, a exemplo dessa patente.

Veja o artigo completo aqui e a carta-patente completa no acervo da Superintendência de Parcerias e Inovação  (Spin/UFPR).

Com informações de Matheus  Neves e Lucimara Roman