Nossos trabalhos estão focados no desenvolvimento de equipamentos científicos inovadores, integrando a eletrônica embarcada da plataforma Arduino com a tecnologia de impressão 3D. Essa abordagem visa criar soluções tecnológicas acessíveis, versáteis e de alto desempenho para aplicações laboratoriais e industriais.
Fotocatálise
A Fotocatálise é um processo químico no qual a luz, geralmente ultravioleta ou visível, ativa um material fotocatalisador para acelerar reações químicas. Esse processo é amplamente utilizado na degradação de poluentes orgânicos, desinfecção de água e ar, síntese de compostos químicos e conversão de energia, como na divisão de água para produzir hidrogênio. Materiais como dióxido de titânio (TiO2) são comumente empregados devido à sua alta eficiência e estabilidade. A fotocatálise contribui significativamente para soluções ambientais e tecnológicas sustentáveis.
Dióxido de Titânio (TiO2) dopado com Lantanídeos para Fotocatálise
Na minha dissertação de mestrada em Física é apresentado os estudos relacionados à preparação e a caracterização estrutural de amostras nanoestruturadas de TiO2 dopadas com Gd3+ (Ti1-xGdxO2) e La3+ (Ti1-xLaxO2) via método dos precursores poliméricos nas concentrações nominais de xN = 0,0; 0,02; 0,04 e 0,06. Na caracterização estrutural dos pós preparados utilizamos as técnicas: termogravimetria (TG) e análise térmica diferencial (DTA), difração de raios X (DRX) e refinamento estrutural via método Rietveld, espectroscopia de espalhamento Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV) em conjunto com medidas de espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDS), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e espectroscopia de reflectância difusa (RFD). Os parâmetros de síntese foram determinados em ordem a se obter amostras de Ti1-xGdxO2 e Ti1-xLaxO2 na fase anatásio com a melhor cristalinidade possível e com granulidade em escala nanométrica. Os resultados experimentais confirmam a obtenção de amostras nanoestruturadas e indicam que os dopantes foram incorporados à matriz do TiO2 sem a formação de fases secundárias ou espúrias. Não observamos variações do band gap (deslocamento da absorção para a região do visível do espectro eletromagnético) das amostras de TiO2 em função da incorporação do Gd3+ e do La3+. As evidências apontam para uma maior concentração espacial de dopantes e de defeitos estruturais nas regiões próximas à superfície das nanopartículas, o que, apesar da permanência do band gap na região do UV, indicam potencialmente uma maior eficiência fotocatalítica dos materiais dopados com relação ao TiO2 puro.
Fotodegradação
A fotodegradação é um processo químico no qual a luz, geralmente ultravioleta ou visível, promove a quebra de moléculas complexas em compostos mais simples. Esse fenômeno ocorre em presença de agentes fotossensibilizadores, como fotocatalisadores, que absorvem a luz e geram espécies reativas capazes de degradar substâncias químicas. É amplamente aplicada em áreas como a remoção de poluentes, tratamento de água, e desintoxicação de efluentes industriais, contribuindo para soluções ambientais mais sustentáveis.
Microbaçança de Cristal de Quartzo
A microbalança de cristal de quartzo (QCM, do inglês Quartz Crystal Microbalance) é um instrumento de alta precisão utilizado para medir mudanças de massa em superfícies na escala de nanogramas. Baseia-se no efeito piezoelétrico, em que um cristal de quartzo vibra em uma frequência ressonante específica quando submetido a um campo elétrico. Alterações na massa da superfície do cristal, como devido à adsorção de moléculas, provocam mudanças detectáveis nessa frequência.
A QCM é amplamente utilizada em estudos de interação molecular, adsorção, dessorção, desenvolvimento de sensores químicos e biológicos, bem como em processos de revestimento fino e caracterização de materiais. Sua sensibilidade e versatilidade fazem dela uma ferramenta indispensável em áreas como biotecnologia, química de materiais e nanotecnologia.
Apresentado este projeto nos seguintes eventos:
- VII SMEQ: Ciência, Ambiente e Educação: O Papel da Educação Química no Contexto de Retomada: Desenvolvimento de uma Microbalança de Cristal de Quartzo com Arduino: Uma Ferramenta Versátil para o Ensino de Química
Publicação de nosso Capítulo no livro Characterization of Molecular Interactions, lançada pela editora Springer Nature em 25/01/2025. Essa contribuição reforça a importância do estudo das interações moleculares e seu impacto em diversas áreas da ciência. Agradecemos a todos os colaboradores que tornaram essa pesquisa possível!
Abstract
The use of the quartz crystal microbalance (QCM) has gained prominence in detecting nanoscale mass changes due to the high sensitivity of piezoelectric quartz crystals. Originally used in communication circuits, these crystals are now widely employed as acoustic sensors, allowing real-time detection of molecular interactions on surfaces, such as biological membranes. Since Sauerbrey’s demonstration in 1959, which established the direct proportionality between the resonant frequency change and mass alteration, QCM has become an essential tool for investigating cell adhesion interactions and pathogen detection. The significance of nanoparticles (NPs), especially gold nanoparticles, in scientific applications has grown due to their unique properties and large specific surface area. QCM has proven effective in characterizing nanomaterials and their interactions with artificial membranes, which is particularly valuable in the food science sector. This technique facilitates the detection of contaminants, monitoring of food freshness, and study of molecular interactions relevant to food quality and safety. This chapter presents an experimental protocol to determine the kinetic and thermodynamic parameters of interactions between gold nanoparticles, functionalized with HS-PEG6000-OCH3, and an artificially constructed membrane on QCM. An aqueous dispersion of the nanoparticles is injected into the QCM, allowing real-time monitoring of mass changes and molecular interactions on the membrane surface. The experimental protocol includes cleaning the quartz crystal, forming the supported lipid bilayer (s-BLM), preparing nanoparticle dispersions, instrument calibration, and measuring nanoparticle-membrane interactions. Obtained data are analyzed to determine binding constants and kinetic parameters using mathematical models and computational codes developed in Octave. This work significantly advances the study of interactions in nanostructured systems and the development of efficient and sensitive biosensors applicable in various fields, including food science. In food science, QCM can be used to detect contaminants such as pathogens and pesticides, monitor the freshness and quality of food products, and study interactions between various food components at the molecular level. This experimental protocol contributes to developing new methods for ensuring food safety and quality, highlighting the critical role of QCM in advancing food science research.
Desenvolvimento de Equipamentos utiliando Arduino e Impressão 3D
Na minha tese de doutorado em Química é apresentado o desenvolvimento de ferramentas essenciais para estudos em nanociência e síntese de nanomateriais, utilizando microeletrônica baseada em Arduino. Foram investigados dois tipos de sistemas: fotorreatores e uma microbalança de cristal de quartzo (QCM). O objetivo foi construir e validar fotorreatores de bancada com diversas funcionalidades, e uma bomba peristáltica com controle de fluxo, adaptando-a a uma QCM para estudos complexos em tempo real envolvendo nanomateriais e biomoléculas. Foram construídos dois fotorreatores de bancada: um Fotorreator de Multicanais para Processos em Microescala (FMPM) e um Fotorreator para Tubo de Ensaio (FTE), ambos baseados no uso de LEDs controlados por Arduino. O FMPM permite investigações simultâneas de reações fotoquímicas, com controle de parâmetros como pH, concentração, força iônica, ligantes de superfície, agitação, comprimento de onda, intensidade de irradiação, tempo e temperatura. O FTE foi desenvolvido para tubos de 15 mL, com controle da intensidade de irradiação e tempo de exposição. A caracterização de ambos foi realizada por actinometria química, com potências médias de 50,35 mW (FMPM) e 34 mW (FTE). Além disso, o FMPM foi utilizado com sucesso na síntese fotoquímica de nanopartículas de prata (AgNPs), empregando agentes estabilizantes como citrato trissódico di-hidratado (TSC), polivinilpirrolidona (PVP) e poli(etilenoglicol) éter metílico tiol (HSPEG-OCH3), conforme evidenciado pelos espectros de absorção. Estes resultados evidenciam a eficácia do protótipo na síntese de nanomateriais, contribuindo significativamente para o avanço na produção de materiais com propriedades excepcionais. Além da síntese de AgNPs, ambos os fotorreatores foram aplicados com sucesso na fotodegradação do corante azul de metileno (MB), enquanto o FTE também foi utilizado na degradação de safranina t (ST) e rodamina b (RhB). Em paralelo, foi desenvolvida uma bomba peristáltica de fluxo controlado por Arduino para uso com a QCM, aprimorando sua aplicação em estudos interacionais complexos em tempo real entre nanomateriais e biomoléculas. O sistema QCM adaptado foi utilizado para investigar as interações entre nanopartículas de ouro e uma membrana artificial construída sobre o cristal de quartzo, destacando seu potencial para estudos detalhados de interação molecular.
Link: https://repositorio.unifal-mg.edu.br/items/531ddda9-55fa-4d7f-8209-b854995ab97d