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Ammonia gas sensor based on the frequency-dependent impedancecharacteristics of ultrathin polyaniline films.
(2016) Santos, Mirela de Castro; Ushizima, Daniela Mayumi; Bianchi, Andrea Gomes Campos; Pavinatto, Felippe J.; Bianchi, Rodrigo Fernando
This paper describes a variety of experiments that reveal the potential application of impedance spec-troscopy (IS) measurements to enhance performance of ultrathin polyaniline (PANI)-based films onflexible substrate to control ammonia gas exposure in the 0–20 ppm range. Further, the device is mechan-ically robust for making electrical contact without lithography. We have employed the IS technique toproper adjust the optimal operation frequency of an easy-to-process, inexpensive and user-friendly PANI-based resistometric detectors in which drift current and delay problems related to electrode effects anddielectric absorption of PANI are insignificant. These requirements place emphasis upon the material anddevice configuration, and the range of frequencies from 10 to 100 Hz corresponds to the ideal workingregion to operate the device to unify sensibility inside 5%, reproducibility, linearity, stability and lowresponse time (<1 min). These results are as efficient as those obtained using a more expensive commer-cial apparatus and can rival the affordability of traditional sensors. Linear Discriminant Analysis (LDA)and K-Means clustering confirmed that the device has the capacity to recognize ammonia concentrationaround 20 ppm with total accuracy of 95%. Our study provides evidence of a new way to improve theperformance of PANI-based sensors that can potentially be employed to monitor the environment oflivestock buildings, for example.
Caracterização elétrica de filmes ultrafinos de PANI/PVS : material potencial para detecção de amônia em galpões de criação avícola.
(Polímeros, 2010) Santos, Mirela de Castro; Santos, Fabrício Aparecido dos; Teixeira, Felipe Portella; Gonçalves, Gislayne Elisana; Bianchi, Andrea Gomes Campos; Bianchi, Rodrigo Fernando
Nesse trabalho filmes ultrafinos de PANI/PVS foram caracterizados óptica, elétrica e morfologicamente para estudo da viabilidade desses sistemas como elemento ativo de sensores de amônia. Os filmes automontados foram depositados entre microeletrodos metálicos formados por uma fina camada de NiCr recoberto com Au. Medidas de absorção na região do UV VIS mostraram o crescimento linear dos filmes, enquanto a análise das imagens de microscopia de força atômica mostrou o aumento da rugosidade, do tamanho de grão e do tamanho da partícula com a espessura dos filmes. A caracterização elétrica dc evidenciou uma significativa mudança na resistência elétrica do sistema quando a espessura do filme tornou-se equivalente à espessura do eletrodo de NiCr. Esse efeito foi atribuído à alta resistência elétrica da interface NiCr-filme. A impedância complexa obtida foi típica de materiais sólidos desordenados, com influência da interface NiCr-filme em baixas frequências. Por fim, os filmes mostraram ainda aumento de resistência elétrica em cerca de três vezes quando expostos às condições ambientais de galpões de criação avícola ([NH3] < 50 ppm), bem como em outras aplicações agropecuárias onde a necessidade do monitoramento desse gás é de grande importância. Esses resultados demonstram o potencial que filmes de PANI/PVS apresentam para aplicações agropecuárias.
Compostos cimentícios reforçados com fibras de resíduos de PEAD para aplicações em placas sustentáveis de absorção sonora.
(2020) Liberato, Thaís Souza; Bianchi, Rodrigo Fernando; Bianchi, Rodrigo Fernando; Santos, Mirela de Castro; Silva, Guilherme Jorge Brigolini
Compostos cimentícios (CC) são os materiais mais utilizados na construção civil devido ao alto desempenho mecânico, alta durabilidade, facilidade de moldagem e baixo custo. Contudo, os CC apresentam várias limitações mecânicas devido, sobretudo, a sua baixa relação entre resistência, peso e capacidade de se deformar quando submetido ao efeito de tração. Neste sentido, estudos sobre a adição de fibras sintéticas aos CC tem se intensificado nos últimos anos, demonstrando-as como materiais de reforços alternativos para suprir as limitações desses compostos e, assim, promover inovações na construção civil. Neste contexto, esse trabalho tem por objetivo principal o estudo da adição da fibra sintética PEAD (polietileno de alta densidade), comercialmente conhecida como Tyvek® , em CC como uma alternativa viável, sustentável e econômica para melhorar as propriedades mecânicas e acústicas dos compostos cimentícios convencionais, visando sua utilização em placas de revestimento. Foi avaliada a influência do volume das fibras do resíduo na trabalhabilidade no estado fresco, absorção sonora, ensaios de tração na flexão e absorção de água das placas. Também foram feitos ensaios de tração no resíduo do Tyvek® para investigação de seu módulo de elasticidade, com objetivo de compreender as propriedades intrínsecas dos CC quando misturados ao resíduo de Tyvek® . Dessa forma, foram encontrados valores satisfatórios de resistência mecânica e absorção sonora para a placa com 70% de água, 10% de fibra e mistura homogênea dos materiais, demonstrando a viabilidade do uso dessas fibras como placas de revestimento de absorção sonora, promovendo ainda sustentabilidade e inovação ao reaproveitar resíduos que ainda não possuem reutilização neste segmento.
Exploring the universality of the alternating conductivity of disordered materials using the Gaussian distribution of activation energies.
(2019) Couto, Jullianna Dénes; Santos, Mirela de Castro; Bianchi, Rodrigo Fernando
This paper presents a newapproach for the analysis of ACconductivity, s*(w)= s¢(w)+is(w), in disordered solids which brings together the quasi-universal frequency-dependent conductivity and the idea of a Gaussian distributions of probable activation energy barriers for hopping carriers. An explicit expression forAC conductivity was obtained using a complex dielectric response function and a continuous time random walk treatment applied to a lattice obeying the Kubo’s fluctuationdissipation theorem. This expression provides an insight into the universality of the form s¢(w) μ ws (0  s  1) and s(w) μ kw (k is the dielectric constant), aswell into the effect of the Gaussian disorder on exponent s.We discuss the similarities and differences with the Random Free Energy Barrier model equivalent to the long-used box model, and it brings support to an extending expression proposed by JCDyre and one of the authors. The applicability of the model to experimental observations on poly[(2-methoxy-5-hexyloxy)-p-phenylenevinylene] reveals the dielectric constant, mean energy and variance of the Gaussian distribution for hopping carriers in this disordered conjugated polymer.
Improving performance of polymer-based ammonia gas sensor using POMA/ V2O5 hybrid films.
(2019) Diniz, Mariana Oliveira; Golin, Alana Fernandes; Santos, Mirela de Castro; Bianchi, Rodrigo Fernando; Guerra, Elídia Maria
Conducting polymers such as polyaniline (PANi) have been widely investigated as ammonia gas sensors due to their intrinsic redox states, good environmental stability, and suitability for low-cost and variable changing in electrical conductivity when exposed to acid and basic gases. In this paper we used both a hybrid PANi derivative, poly(o-methoxyaniline) (POMA)-vanadium pentoxide (V2O5) film, and new ac electrical measurement strategies to increase the ammonia gas sensor performance. Complex impedance measurements of POMA/V2O5 hybrid film showed linearity in response and a high sensitivity to ammonia in the 0–20 ppm range in both real (around 800%) and imaginary (around 3000%) components, which indicated that the film is a good candidate to use as an ammonia sensing material. FTIR spectra presented typical V2O5 and POMA bands and also presented a shifting to higher wave numbers in bands referring to the vanadyl group and primary amines, which indicated the presence of hydrogen bonds between oxide and polymer. Finally, the Cole–Cole theoretical model with an interface effect provided a good fit for the experimental results from electrical ac measurements.
Influence of NiCr/Au electrodes and multilayer thickness on the electrical properties of PANI/PVS ultrathin film grown by Lbl deposition.
(2012) Santos, Mirela de Castro; Munford, Maximiliano Luis; Bianchi, Rodrigo Fernando
In the present work, we concentrate on the study of effects of metallic electrodes, multilayer thickness and temperature in ac and dc electrical conductivity of polyaniline/poly(vinyl sulfonic acid) (PANI/PVS) ultrathin films. The polymer system was obtained from layer-by-layer (Lbl) self-assembly technique on a glass substrate with an electrode array of adhesion layer of NiCr (20 nm) covered with Au (180 nm). We observed a significant and abrupt increase in the value of dc conductivity and a change of ac conductivity behavior of NiCr/Au–PANI/PVS–NiCr/Au structure when the thickness of PANI/PVS system reaches the Au layer. These effects were ascribed to the ideal contact of Au–PANI/PVS and the relative high interfacial contact resistance between PANI/PVS and NiCr,thus reducing the parallel resistance of NiCr/Au–PANI/PVS interfacial layer in an ideal parallel plate capacitor structure. Atomic Force Microscopy images confirm this assumption. Furthermore, the ac conductivity of Au–PANI/PVS–Au structure was typical of solid disordered materials. A model based on carrier hopping in a medium with randomly varying energy barriers was presented for the ac conductivity of the polymer system, which also encompasses the high dielectric constant of PANI/PVS blended films, the neutral contact Au–PANI/PVS, and the electrical resistance of NiCr–PANI/PVS interfacial layer. The model allowed separating the interface and the bulk effects in the electrical response of NiCr/Au–PANI/PVS–NiCr/Au structure and in addition the highest activation energy (35 MeV) correlated with an optimization of hopping distance (30 nm) for carriers jumps in PANI/PVS system.
Microtubo de fibra vegetal revestida com polímero condutivo para sensoriamento de amônia.
(2023) Souza, Mariana Tainná Silva; Bianchi, Rodrigo Fernando; Ferreira, Giovana Ribeiro; Bianchi, Rodrigo Fernando; Barboza, Ana Paula Moreira; Santos, Mirela de Castro
O desenvolvimento sustentável tornou-se uma questão mundial e, por isso, têm crescido a utilização de matérias primas naturais para o desenvolvimento de produtos tecnológicos. Este trabalho teve como objetivo principal preparar e empregar a fibra de Janaúba (FJ), recoberta com polianilina (PANI), como elemento ativo de sensoriamento de gás amônia, na faixa de 0 a 30 ppm. Para tal foram realizadas etapas desde a limpeza física e química das fibras até a caracterização elétrica do sistema. Os resultados obtidos mostraram a eficácia do compósito FJ/PANI como elemento ativo de sensoriamento de gás amônia na faixa estudada, apresentando sensibilidade de até 37 kΩ/ppm, destacando sua capacidade de reter a informação sobre a concentração do gás. Em termos estruturais, as técnicas aplicadas permitiram caracterizar as fibras, confirmando seu aspecto liso e tubular, com diâmetro médio inicial de (24 ± 6) μm e parede de espessura inferior a 1 μm. Ademais, as técnicas evidenciaram as alterações na conformação, diâmetro e rugosidade das fibras após tratamentos químicos, permitindo traçar uma relação entre esses efeitos e o recobrimento da fibra pelo polímero. Apesar dos tratamentos com álcool e acetona e soluções ácidas e alcalinas promoverem a aderência de um filme de PANI mais uniforme e espesso, foram as fibras não tratadas ou tratadas com água destilada e solução de Extran, à quente, que apresentaram maior sensibilidade ao gás, sendo justificada pela facilidade em alterar a quantidade de caminhos de percolação. Esses resultados promissores indicam o potencial dos sistemas FJ/PANI como sensores de gás de baixo custo, de fácil fabricação, de baixo impacto ambiental e alto valor agregado. Portanto, este estudo contribui para o desenvolvimento de materiais tecnológicos, utilizando matérias-primas naturais negligenciadas, como a FJ, para a criação de sensores efetivos e acessíveis. Os resultados obtidos abrem caminho para futuras pesquisas e aplicações práticas na área de monitoramento de gases, fornecendo uma alternativa viável e ambientalmente amigável para a detecção de amônia em diversos contextos industriais.
Preparação e caracterização de filmes ultrafinos de PANI/PVS para aplicação como sensores de detecção de amônia em galpões de criação avícola.
(2009) Santos, Mirela de Castro; Santos, Fabrício Aparecido dos; Teixeira, Felipe Portella; Gonçalves, Gislayne Elisana; Bianchi, Andrea Gomes Campos; Bianchi, Rodrigo Fernando
Nesse trabalho foram caracterizados óptica, elétrica e morfologicamente filmes ultrafinos de PANI/PVS para uso como elemento ativo de sensores de amônia. Os filmes automontados foram depositados entre microeletrodos metálicos formados por uma fina camada de NiCr recoberto com Au. Medidas de absorção na região do UV-VIS mostraram o crescimento linear dos filmes, enquanto a análise das imagens de microscopia de força atômica mostrou o aumento da rugosidade, do tamanho de grão e do tamanho da partícula com a espessura dos filmes. A caracterização elétrica dc evidenciou uma significativa mudança na resistência elétrica do sistema quando a espessura do filme tornou-se equivalente à espessura do eletrodo de NiCr. Esse efeito foi atribuído à alta resistência elétrica da interface NiCr-filme. A impedância complexa obtida foi típica de materiais sólidos desordenados, com influência da interface NiCr-filme em baixas frequências. Por fim, os filmes mostraram ainda aumento de resistência elétrica em cerca de três vezes quando expostos às condições ambientais de galpões de criação avícola ([NH3] < 50 ppm).
Preparação e caracterização elétrica de filmes ultrafinos de polianilina/poli (vinil sulfato de sódio) PANI/PVS.
(2009) Santos, Mirela de Castro; Bianchi, Rodrigo Fernando
Nas últimas décadas, os polímeros conjugados têm recebido grande atenção devido, principalmente, às aplicações desses materiais na área de eletrônica. Dentre os polímeros mais investigados, a polianilina (PANI) aparece como candidato potencial do ponto de vista tecnológico, tendo em vista seu baixo custo e sua capacidade de se comportar ora como isolante ou semicondutor ora como metal, dependendo do grau e do tipo de dopagem a que foi submetida. Muitos autores têm explorado as propriedades semicondutores intrínsecas da PANI em diodos, sensores e transistores nos quais os mecanismos de injeção de carga entre o eletrodo e o polímero e o transporte dos portadores de carga através do volume polimérico são importantes parâmetros na determinação do desempenho dos seus dispositivos. Entretanto, a física relacionada a esses mecanismos ainda não é totalmente compreendida e há muitas controvérsias sobre o tema na literatura. Em geral, a caracterização elétrica da PANI tem sido realizada em amostras processadas na forma de filmes espessos produzidos por casting ou por filmes finos produzidos por métodos eletroquímicos, nos quais a condutividade elétrica pode ser facilmente modificada através de processos de dopagem ou desdopagem. Poucos trabalhos, entretanto, têm investigado a condutividade de filmes de PANI processados via técnica de automontagem layer-by-layer (Lbl) (camada por camada), onde soluções aquosas de PANI são alternadas com solução aquosa de um polieletrólito aniônico formando filmes com camadas em escala nanométrica. Nesse trabalho, foi investigado as condutividade elétricas dc e ac com filmes contendo camadas alternadas de PANI e do polieletrólito aniônico - poli(vinil sulfato de sódio) (PVS), depositados sobre microeletrodos interdigitados de NiCr recoberto com Au (NiCr/Au). Foi observada uma significativa mudança na condutividade dc quando a espessura dos filmes tornou-se equivalente à espessura da camada do eletrodo de NiCr. Esse efeito foi atribuído à alta resistência elétrica interfacial entre NiCr e o filme polimérico quando comparada à resistência da interface Au-filme e do volume do polímero. A condutividade alternada do polímero obtida foi típica de materiais sólidos desordenados, com influência da impedância do eletrodo de NiCr e da constante dielétrica do polímero. Um modelo baseado na aproximação fenomenológica de Cole-Cole e outro no de barreiras de energias livres aleatórias foram apresentados para explicar o comportamento da condutividade ac do sistema, que englobam as propriedades desordenadas dos filmes Lbl e os efeitos de interface NiCr-PANI-PVS. Os modelos permitiram estimar a espessura (1 nm) e a condutividade da camada interfacial NiCr-PANI/PVS (1,3 x 10-6 S/m) e a constante dielétrica (~ 104) do filme de PANI/PVS. A presença de uma distribuição de tempos de relaxação também foi inferida, bem como a energia máxima de saltos dos portadores de cargas (~ 35 meV) e que a condutividade do volume (9,6 x 10-4 S/m) é maior que a condutividade total (6,9x 10-4 S/m) do sistema Lbl.
Sensor vestível e não invasivo para monitoramento contínuo das taxas de bilirrubina em recém-nascidos ictéricos.
(2021) Vieira, Marcel Barbosa; Bianchi, Rodrigo Fernando; Bianchi, Rodrigo Fernando; Santos, Mirela de Castro; Gomes, Deilton Gonçalves; Coelho, Bruno Nazário; Savedra, Ranylson Marcello Leal; Silva, Saul Emanuel Delabrida
O monitoramento da bilirrubina em recém-nascidos (RN) ictéricos é de extrema importância para o tratamento fototerápico, pois além de garantir que o tratamento está sendo eficaz, ainda pode evitar a evolução da doença rumo a taxas tóxicas. No entanto, para evitar dor e melhorar a eficácia clínica, faz-se necessário o acompanhamento em tempo real desta doença. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver um sensor vestível não invasivo para monitoramento de bilirrubina em recém-nascidos ictéricos. Para tanto, foi desenvolvido um o dispositivo, a partir de uma estrutura transparente, fabricada com silicone, e LEDs (light emitting diode) nas cores azul, vermelho, verde e violeta, além de um LDR (light dependent resistor). A partir desses componentes foi possível montar um dispositivo ótico capaz de analisar as taxas de bilirrubina in vitro. Os resultados obtidos mostram que o dispositivo é eficiente no monitoramento das taxas da bilirrubina, durante o seu processo de degradação, mostrando inclusive a correlação entre os valores medidos no mesmo e os valores obtidos pela leitura no espectrofotômetro UV-Vis. Portanto, os resultados obtidos até o momento, indicam a viabilidade e eficácia do dispositivo para o monitoramento das taxas de bilirrubina in vitro, em tempo real, de forma não invasiva, indolor e ininterrupta, que possibilita um tratamento mais eficiente do RN ictérico, garantindo uma intervenção positiva dos médicos, sempre que houver uma alteração negativa no tratamento do RN.
Synthesis and characterization of V2O5/PANI thin films for application in amperometric ammonia gas sensors.
(2018) Santos, Mirela de Castro; Hamdan, O. H. C.; Valverde, Sarah Araújo; Guerra, Elídia Maria; Bianchi, Rodrigo Fernando
Studies of xerogel vanadium pentoxide hybrids in the presence of polyaniline (V2O5/PANI) for ammonia gas detection are presented. The hybrid materials were obtained in an oxidative polymerization/intercalation process, in which gel reacted with the monomers of the polymers. In situ characterization revealed V2O5/PANI hybrids with lamellar structure. Finally, the electric impedance technique was used for determining the optimal frequency band for operation of an Ag/V2O5/PANI/Ag amperometric ammonia gas sensor, to achieve linearity and stability. The results indicate that the sensor can detect gaseous ammonia in the 0–54 ppm range of concentrations. This characteristic is important for successful applications in easy to handle and low-cost ammonia gas sensors for animal confinement husbandry, for which current variation and difficulties related to electrode effects and dielectric absorption of V2O5 and PANI are negligible.