O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Direct Drawing Method of Graphite onto Paper for High-Performance Flexible Electrochemical Sensors. Santhiago, Murilo; Strauss, Mathias; Pereira, Mariane P.; Chagas, Andreia S.; Bufon, Carlos C. B. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (13), pp 11959–11966. DOI: 10.1021/acsami.6b15646
Lápis e papel para fazer um sensor eletroquímico
Talvez muitos de nós não tenhamos pensado nisto antes: pintar uma folha de papel com lápis de grafite gera, além de um desenho, uma camada de material condutor da eletricidade (o grafite, formado por átomos de carbono) sobre um substrato flexível, barato e amplamente disponível (o papel). Em outras palavras, esse método extremamente simples e rápido produz uma plataforma muito atrativa para fabricar sensores e outros dispositivos.
Baseando-se nesse método de transferência de grafite do lápis para o papel, uma equipe de cientistas brasileiros desenvolveu um sensor eletroquímico flexível. O dispositivo demonstrou ter um desempenho excepcional entre sensores similares na detecção de um composto biológico difícil de detectar, porém muito relevante por estar presente em todas as células, cumprindo importantes funções no metabolismo dos seres vivos.
O trabalho foi realizado, principalmente, no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Algumas análises foram feitas no Laboratório Multiusuário de Espectroscopia Óptica Avançada do Instituto de Química da UNICAMP.
“Uma das principais contribuições do trabalho foi mostrar a eficiência de dispositivos eletroquímicos preparados através de um processo de transferência direta de grafite sobre papel”, destaca Carlos César Bof Bufon, autor correspondente de um artigo científico sobre o estudo, que foi recentemente publicado no periódico ACS Applied Materials and Interfaces (fator de impacto= 7,504). Além de Bufon, que é pesquisador do LNNano e professor orientador na UNICAMP e na UNESP, assinam o artigo mais quatro pesquisadores do Laboratório de Dispositivos e Sistemas Funcionais do LNNano, inclusive o doutor Murilo Santhiago, que liderou a pesquisa junto a Bufon.
O trabalho começou com o objetivo de fabricar dispositivos eletroquímicos de carbono e/ou híbridos que detectassem compostos biológicos com eficiência, conta Bufon. Uma revisão bibliográfica mostrou à equipe de cientistas que vários tipos de eletrodos de carbono preparados por uma grande diversidade de métodos já tinham sido reportados, e que todos eles trocavam elétrons lentamente quando testados com algumas moléculas modelo. Em outras palavras, não eram sensores eletroquímicos eficientes para as moléculas biológicas. A equipe escolheu então o método de preparação de eletrodos de carbono mais simples (o desenho a lápis) e resolveu investigar por que o material obtido não apresentava bons resultados ao ser usado como sensor eletroquímico dessas moléculas. “Resolvemos então trabalhar nessa questão mapeando os problemas observados em outros trabalhos e melhorando aspectos da superfície do grafite”, relata Santhiago.
A equipe pôde verificar, por exemplo, que o processo de transferência de grafite do lápis para o papel deixava micro e nanodetritos na superfície do eletrodo. Para removê-los, os pesquisadores realizaram no eletrodo um rápido tratamento eletroquímico, que gera bolhas de oxigênio na superfície, as quais ajudaram a remover do filme de carbono os detritos e outras impurezas e repeli-los para longe. “Após esse tratamento, verificamos que a resposta do sensor era uma das melhores já observadas para esse tipo de material”, afirma Santhiago. Procurando explicar o desempenho excepcional, os cientistas analisaram o filme de carbono antes e depois do tratamento usando diversas técnicas de caracterização de materiais, e constataram que o tratamento eletroquímico imprimia mudanças à estrutura e à composição química da superfície do filme de carbono.
Depois de otimizar o eletrodo de carbono sobre papel, a equipe procedeu a testar sua capacidade de detectar moléculas biológicas e escolheu como analito o dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD, na sigla em inglês). Essa molécula costuma ser usada em testes, não apenas devido à sua relevância (participa de mais de 300 processos biológicos), mas também pelos desafios que sua detecção apresenta. Dessa maneira, os cientistas tiveram que fazer alguns ajustes no eletrodo com o objetivo de torna-lo mais seletivo (que detecte apenas NAD) e mais sensível (que detecte pequenas quantidades da molécula).
Então, a equipe científica inseriu na superfície do eletrodo um composto que facilita a transferência de elétrons, o corante Azul de Meldola. Nos testes de detecção de NAD, a versão final do sensor mostrou um excelente desempenho, apresentando os melhores resultados já reportados referentes à seletividade e velocidade de detecção entre eletrodos baseados em papel. “Agora, o método mais simples também é o que apresenta a melhor eficiência e maior potencial de aplicação”, conclui Murilo Santhiago.
Depois do sucesso conseguido na fabricação de eletrodos de grafite de alta eficiência pintados a lápis, a equipe deu continuidade às pesquisas sobre o tema. Os cientistas estão agora estudando outras aplicações do material em dispositivos eletroquímicos, inclusive vestíveis, para detecção de espécies de interesse biológico e ambiental. Simultaneamente, eles estão trabalhando a escalabilidade do processo de fabricação para minimizar pequenas variações entre dispositivos – um ponto nada trivial se consideramos que o método se baseia no uso manual de um lápis de grafite, entre outros processos manuais. “Atingir a escalabilidade e, ao mesmo tempo, materiais com alta eficiência nem sempre é uma tarefa fácil”, diz Bufon, citando o exemplo do grafeno, que foi isolado inicialmente usando uma fita adesiva por meio de um processo simples, manual e com problemas de reprodutibilidade.
A pesquisa contou com financiamento do CNPq e FAPESP, e utilizou infraestrutura do Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologia (SisNANO) presente no LNNano.
