A capacidade de fornecimento da energia distribuída com abordagens sustentáveis é bem vista como uma oportunidade de permitir novos caminhos em tecnologias emergentes, tais como dispositivos vestíveis (wearable devices), tecnologia integrada e robótica.

Em comparação com outras tecnologias de captação de energia mecânica, os nanogeradores triboelétricos (TENGs - triboelectric nanogenerators) podem coletar com eficiência a energia mecânica para alimentar eletrônicos e sensores, baseados em princípios de triboeletrificação e indução eletrostática, exibindo vantagens como baixo custo, fabricação simplificada e variedade de materiais e estruturas.

Os estudos envolvendo TENGs concentram-se principalmente no aumento da geração de energia, aumentando a área de superfície, projetando as propriedades materiais nas superfícies de contato e demonstrando em aplicações práticas.

A maioria dos TENGs de última geração são construídos com polímeros sintéticos que não são biocompatíveis, reduzindo suas perspectivas de aplicação e relevância em tecnologias biomédicas e ambientais. Com isso, entra a importância da quitosana neste estudo.

A quitosana é geralmente derivada da quitina natural após desacetilação com tratamentos alcalinos e pode ser produzida a partir de conchas de crustáceos marinhos. Além disso, é usada em vários campos como tratamento de água, administração de medicamentos e também na engenharia de tecidos e, ainda, são biodegradáveis, biocompatíveis e não apresentam citotoxicidade.

A viabilização econômica e a aplicação da engenharia em materiais biologicamente abundantes em nanosensores são significativas não apenas para a exploração científica fundamental, mas também para atender às necessidades da sociedade em questões de energia sustentável e na proteção ambiental.

O estudo realizado pelos autores desenvolveu um nanogerador triboelétrico de quitosana com ácido cítrico, a fim de alterar a superfície do material para otimizar o potencial através da alteração dos grupos funcionais expostos na superfície.

Os autores afirmam que a mudança do potencial de superfície de um material resulta da mudança de densidade da carga na superfície. No caso do estudo realizado, os autores adicionaram mais ácido cítrico para dissolver o pó de quitosana, aumentando o número de grupos hidroxila e amino, enquanto a quantidade de grupo carboxila diminui, o que foi o motivo principal para os diferentes potenciais de superfície em diferentes amostras realizadas.

Considerando que a quitosana é um material de baixo custo, biodegradável e ecologicamente correto, os autores exploraram a viabilidade do sensor desenvolvido de quitosana-ácido cítrico para aplicação como um sensor de velocidade de carro triboelétrico.

Além disso, os autores aplicaram abordagens de mineração de dados para analisar e aprender a relação entre os sinais triboelétricos adquiridos e as classes de velocidade do carro (ou seja, baixa, média ou alta velocidade), além de também prever a relação entre os sinais e os valores de velocidades do carro.

Concluindo, os autores afirmam que o desempenho e a eficiência dos sensores triboelétricos podem ser otimizados pela modulação das composições e das propriedades do material por meio de engenharia de superfície molecular, que oferece um potencial promissor para projetar e implementar TENGs baseados em biopolímeros de alto desempenho para nanossistemas auto alimentados em tecnologias sustentáveis.

O estudo realizado abre caminho para novas tecnologias que utilizam materiais bioderivados para fabricação economicamente viável e ecologicamente correta de dispositivos funcionais em aplicações de energia, eletrônica e sensores.

Antes de iniciar o texto, vamos definir o que é um MXene. A princípio, parece um nome estranho para um material, porém ele se origina dos materiais bidimensionais, compostos por uma única camada de átomos. As estruturas 2D vêm de um grupo de precursores chamado de MAX Phases. 

A sigla MAX representa a composição química desse grupo de cerâmicos, dada por: um metal de transição (M), um elemento da família (A) e carbono ou nitrogênio (X). No processo de produção dos derivados bidimensionais, ocorre a retirada do elemento (A), o que explica a origem do termo “MX”. Somando com o termo em inglês “graphene”, temos o MXene. Certo?

O artigo apresenta a importância de sensores de gás em temperatura ambiente altamente sensíveis, que são cada vez mais exigentes hoje porque são necessários em áreas de monitoramento da qualidade do ar, aplicações de saúde e segurança alimentar. 

Com isso, os materiais MXenes, sendo os novos materiais 2D, combinam as boas propriedades de superfície em grupos funcionais e alta condutividade elétrica, o que indica que eles têm o potencial de produzir um ótimo material de detecção para temperaturas ambiente.

Vários polímeros condutores têm sido amplamente utilizados em sensores de gás devido à sua alta sensibilidade, baixo custo e capacidade ser operado em temperatura ambiente. Como um semicondutor típico, o artigo cita a polianilina (PANI), que tem sido amplamente utilizada em sensores de gás.

Com isso, os autores apontaram o enorme potencial dos materiais MXenes e da polianilina, devido a alta sensibilidade ao gás em temperatura ambiente, e propuseram um material híbrido de MXene/PANI, sendo o PANI/Ti3C2Tx.

Após testes de desenvolvimento com o material, os autores realizaram a fabricação de um nanocompósito PANI/Ti3C2Tx baseado em sensor de gás flexível de alto desempenho com sucesso. 

Combinando as simulações e medições eletrossensíveis, a boa atividade de detecção foi atribuída à alta absorção catalítica dos grupos funcionais presentes na superfície do Ti3C2 e do efeito sinérgico dos compósitos.

Os autores também realizaram testes de propriedades mecânicas dos sensores de gás e, para vários estados de tensão, a resposta foi positiva. Além de fornecer também uma motivação para utilizar materiais MXenes para empregos em sensores eletrônicos flexíveis.

Os autores finalizam, através de testes, que o material apresentou alta sensibilidade ao etanol e alto tempo de resposta em temperatura ambiente, tornando este tipo de material para detecção como a próxima geração de materiais que podem detectar rapidamente vazamentos de gases em tempo real.

A demanda crescente por cuidados de saúde de forma segura, confortável e de alta qualidade levou a um aumento exponencial das tecnologias biomédicas e nos serviços de saúde. Neste aspecto, os sensores biomédicos e dispositivos médicos implantados estão substituindo gradualmente os dispositivos médicos utilizados tradicionalmente. Para simplificar, sensores biomédicos definem uma classe de equipamentos, desenvolvidos por meio de uma combinação de engenharia e biomedicina, que detectam e/ou respondem a sinais fisiológicos do corpo humano.

O artigo aponta que um dos problemas mais críticos nesse ambiente de aplicação biomédica é a confiabilidade da fonte de alimentação para os sensores biomédicos e dos dispositivos implantáveis. A transmissão tradicional de energia elétrica (baseada em contato através de fios) é propensa ao desgaste e exposição ao longo do prazo, que leva ao contato acidental e ao choque elétrico, representando um risco potencial para o paciente.

Com isso, o artigo apresenta os nanogeradores, que são dispositivos que coletam micro energias, energias nano-mecânicas e energias térmicas e as converte em energia elétrica. Sendo assim, o nanogerador se apresenta como uma nova tecnologia que pode possibilitar o desenvolvimento de dispositivos auto-alimentados, criando um novo campo de captação e conversão de energia. Além disso, existem três abordagens técnicas típicas para nanogeradores, baseadas em três diferentes mecanismos de geração de energia: piezoelétrico, triboelétrico e piroelétrico.

Na área da biomedicina, o artigo mostra que os nanogeradores podem ser usados diretamente em biossensores para converter sinais biológicos em sinais elétricos. Por exemplo, nano-dispositivos, como acessórios, podem ser usados fora do corpo para coletar a respiração, expressão facial e outras informações. Já o nanogerador implantável pode ser usado para detectar informações como frequência cardíaca e açúcar no sangue.

O artigo apresenta um exemplo de sensores para cada mecanismo de geração de energia. No mecanismo triboelétrico, um sensor de pulso ultra sensível auto-alimentado flexível (SUPS - self-powered ultrasensitive pulse sensor) pode monitorar informações fisiológicas relacionadas a doenças cardiovasculares em tempo real. No mecanismo piroelétrico, é apresentado um exemplo de um dispositivo respiratório auto-alimentado, onde o sensor foi proposto para coletar energia respiratória, detecção respiratória e detecção da temperatura ambiente. Por fim, no mecanismo piezoelétrico, o artigo cita um sensor implantável à base de óxido de zinco (ZnO) para coletar energia gerada pela respiração e batimentos cardíacos.

Atualmente, os nanogeradores apresentam um potencial considerável para fornecimento de energia em dispositivos biomédicos, além de promover a proliferação de células e entrega de drogas, além da estimulação elétrica direta.

O artigo conclui que os materiais para eletrificação e sensoriamento devem oferecer flexibilidade, durabilidade e biocompatibilidade. Além disso, os desempenhos dos nanogeradores podem ser adaptados regulando e acoplando os materiais triboelétricos, piezoelétricos e piroelétricos. Com isso, dando ênfase na importância dos materiais utilizados nos sensores, que são necessários para garantir a adaptação desses dispositivos às diversas formas e ambientes internos, ou seja, excelente biocompatibilidade.

O setor automotivo tende a criar veículos que tenham um funcionamento cada vez mais automático, desde apertar um botão para subir o vidro até a pilotagem automática. Para que os veículos possam conduzir de forma autónoma, são necessários vários sensores que irão indicar ao veículo o que fazer em várias situações.

Há um grande interesse na produção de vários milhões de veículos autônomos em um futuro próximo, o que exigirá vários sistemas de controle para garantir que sejam seguros para essa operação. Um grupo de cientistas, vendo isso, desenvolveu sensores para pneus inteligentes, para se ter um subsistema de controle e comunicação entre os pneus e a estrada, proporcionando uma detecção de parâmetros que atuem entre eles em tempo real.

Muitos estudos foram realizados, e recentemente os sensores baseados em grafeno mostraram alto desempenho e sensibilidade aumentada, tornando-os perfeitos para esta função. Os cientistas desenvolveram sensores impressos em 3D embutidos diretamente nos pneus, juntamente com um coletor de energia piezoelétrico embutido no pneu para alimentar os sensores e transmitir os dados sem fio, além da aprendizagem automática para análise de dados preditiva. Neste trabalho, o preço de um sensor impresso em 3D é estimado em cerca de 2,7 centavos.

A impressão 3D foi realizada pelo método de deposição em aerossol com tinta de grafeno, cálculos teóricos foram realizados para a modelagem. E para sua viabilidade foi desenvolvido um algoritmo de aprendizagem automática para estimar a pressão dos pneus. A maioria dos dados estava próxima da linha de erro zero.

Este trabalho nos mostra uma solução para evitar que os dados entre o sistema de monitorização da pressão dos pneus (TPMS) e a unidade central de processamento (CPU) sejam comprometidos, ou seja, as informações que a CPU receber da pressão dos pneus não será enganoso.

Esta pesquisa está publicada na revista Nature.