Como projetar um sensor confiável de US$ 1 para água potável segura

Centenas de milhares de pessoas morrem por beber água imprópria todos os anos, de acordo com a Organização Mundial da Saúde. Por exemplo, estima-se que a diarreia transmitida por contaminação bacteriana cause mais de 500.000 mortes anualmente. Os metais pesados ​​tóxicos presentes na água potável, como o arsénico, o chumbo e o mercúrio, também representam enormes riscos para a saúde. E as alterações climáticas só irão agravar os riscos de doenças relacionadas com a água, segundo a OMS.

Sensores que possam detectar com precisão e rapidez esses contaminantes podem prevenir muitas doenças e mortes transmitidas pela água. Agora, os engenheiros desenvolveram um caminho para a fabricação em massa de sensores de grafeno de alto desempenho que podem detectar metais pesados ​​e bactérias no fluxo de água da torneira. Este avanço, relatado na Nature Communications, poderia reduzir o custo de tais sensores para apenas 1 dólar cada, permitindo que as pessoas testassem a presença de toxinas na água potável em casa.

Os sensores precisam ser extraordinariamente sensíveis para detectar as mínimas concentrações de toxinas que podem causar danos. Por exemplo, a Food and Drug Administration dos EUA declara que a água engarrafada deve ter uma concentração de chumbo não superior a 5 partes por bilhão.

Hoje, detectar concentrações de partes por bilhão ou mesmo partes por trilhão de metais pesados, bactérias e outras toxinas só é possível analisando amostras de água em laboratório, diz Junhong Chen, professor de engenharia molecular na Universidade de Chicago. e o principal estrategista de água do Laboratório Nacional de Argonne. Mas seu grupo desenvolveu um sensor com um transistor de efeito de campo (FET) de grafeno que pode detectar toxinas nesses níveis baixos em segundos.

O sensor é baseado em uma folha semicondutora de óxido de grafeno com nanômetros de espessura, que atua como canal entre os eletrodos de fonte e dreno em um FET; um eletrodo de porta controla a corrente através do canal. As folhas de grafeno são depositadas em um wafer de silício e, em seguida, eletrodos de ouro são impressos nas folhas, seguidos por uma camada isolante de óxido de alumínio com espessura nanométrica para separar o eletrodo de porta do canal semicondutor.

Os pesquisadores anexam moléculas químicas e biológicas à superfície do grafeno que se ligarão aos alvos desejados – neste caso, a bactéria E. coli e os metais pesados ​​chumbo e mercúrio. Quando mesmo a menor quantidade de contaminantes se liga ao grafeno, sua condutividade muda, com a magnitude da mudança correlacionada às concentrações das toxinas.

O dispositivo usa um conjunto com três sensores diferentes, um para cada contaminante, para medir concentrações de partes por trilhão na água corrente. Algoritmos de aprendizado de máquina ajudam a diferenciar os contaminantes, diz Chen. “Sua resposta é muito rápida como qualquer outro FET, então você pode ver os resultados imediatamente. Além disso, é potencialmente de baixo custo porque o FET é uma tecnologia econômica e escalável [que já é usada] em computadores, laptops e celulares.”

Fabricar sensores com desempenho confiável e consistente foi um grande desafio, diz ele. Isso ocorre porque a camada isolante de óxido de alumínio pode apresentar defeitos que retêm cargas e prejudicam o desempenho.

Então Chen e seus colegas descobriram uma maneira de detectar dispositivos defeituosos usando um processo não intrusivo. Enquanto os sensores estão imersos em água, eles os testam usando espectroscopia de impedância – uma técnica que envolve a aplicação de uma tensão CA em frequências que variam de alguns hertz a algumas dezenas de milhares de hertz – e medindo a corrente através dos dispositivos. Isso permite detectar defeitos estruturais no óxido de alumínio.

“Em cada wafer você teria centenas de chips sensores”, diz Chen. “Na fabricação futura, podemos introduzir esta etapa de controle de qualidade para selecionar dispositivos ruins e escolher os dispositivos de boa qualidade.”

A equipe agora tenta comercializar a tecnologia por meio de uma startup chamada Nanoaffix Science. “O primeiro produto que esperamos apresentar é um dispositivo portátil que permite às pessoas testar a qualidade da água potável diretamente da torneira”, diz Chen.