Unicamp: Pesquisa simplifica obtenção de sensor de pressão baseado em fibra óptica

Pesquisadores do Laboratório de Fibras Especiais (LaFE) do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp estabeleceram uma rota inovadora que simplifica a obtenção de sensores baseados em fibras ópticas microestruturadas. A tecnologia, cujo pedido de registro de patente está em fase de elaboração, foi desenvolvida para ser aplicada como sensor para medição de pressão hidrostática, aquela exercida pelos fluidos. De acordo com os estudos teórico e experimental realizados no LaFE, a fibra capilar com núcleo embutido (embedded-core capillary fiber, em inglês), como o dispositivo é denominado, apresenta elevada sensibilidade às variações de pressão, desempenho que se compara aos valores reportados por outras fibras com geometria muito mais complexa e otimizadas para a mesma finalidade.

A pesquisa, totalmente desenvolvida no Brasil, deu origem a um artigo (https://www.nature.com/articles/s41598-017-03206-w) que foi publicado no último dia 7 de junho pela Scientific Reports, revista científica do Grupo Nature. Participaram do estudo pelo LaFE o professor Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro, coordenador do projeto, e os doutorandos Jonas Osório e Giancarlo Chesini. “Nós também contamos com a estreita colaboração do professor Marcos Franco e do pesquisador Valdir Serrão, ambos do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). Vale destacar, ainda, que o projeto teve apoio da Finep [Financiadora de Estudos e Projetos, agência de fomento vinculada ao Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações] e envolve a Universidade Presbiteriana Mackenzie e a empresa FiberWork”, elenca Cordeiro.

De acordo com o docente, as fibras ópticas são utilizadas com maior frequência em projetos de comunicação óptica. Nesse caso, o que se espera é que essas fibras não sejam sensíveis às interferências exercidas pelo meio externo, como o movimento das correntes oceânicas ou o trânsito de caminhões em uma rodovia. “No caso do uso das fibras ópticas como sensores, o que se quer é justamente o contrário. Elas têm que ser sensíveis à pressão, à temperatura e à umidade, entre outros, para que possam mensurar esses parâmetros”, explica Cordeiro.

As fibras microestruturadas já conhecidas, acrescenta Osório, têm geometrias complexas e demandam um intrincado e demorado trabalho manual. Na rota proposta pelo grupo da Unicamp, o processo foi simplificado. Dito de maneira igualmente descomplicada, o que os pesquisadores fizeram foi substituir a geometria usual dos sensores baseados em fibras microestruturadas (dotada de numerosos buracos de ar que correm ao longo do comprimento da fibra) por uma nova estrutura que consiste simplesmente de um capilar (tubo) de sílica que possui um núcleo (região dopada com germânio) inserido em sua parede.

Isso é obtido ao se preparar uma versão macroscópica da fibra de maneira adequada (pré-forma) e ao se realizar o puxamento da fibra em uma torre de fabricação de fibras ópticas, em um processo que envolve o uso de alta temperatura (em torno de 2 mil graus Celsius), pressão, vácuo, entre outras variáveis. “Com isso, quando a fibra é submetida a variações de pressão hidrostática, uma distribuição assimétrica de esforços é verificada no seu interior, o que nos fornece a possibilidade de medir variações de pressão de maneira óptica”, esclarece o doutorando.

A fibra com núcleo embutido, observa Osório, tem a espessura próxima a de um fio de cabelo e apresenta duas paredes, um interna e outra externa. Quando esse capilar é pressurizado, ambas as paredes se deslocam. Esse deslocamento altera uma característica da fibra conhecida como birrefringência, que é a diferença entre os índices de refração nas direções dos eixos principais da fibra. Tal alteração é que permite, finalmente, a realização da medida óptica. Nos ensaios teóricos e experimentais que executaram, os pesquisadores da Unicamp concluíram que, para alcançarem a sensibilidade desejada, as fibras deveriam ter paredes finas e ter o núcleo localizado próximo da parede interna.

Vantagens

Os sensores a fibra óptica apresentam diversas vantagens sobre os dispositivos convencionais produzidos com outros materiais, como esclarece o professor Cordeiro. Segundo ele, sensores elétricos são suscetíveis a interferências eletromagnéticas, o que não ocorre com as fibras ópticas, que estão imunes a esse tipo de influência por serem constituídas basicamente por sílica (vidro), um material dielétrico (isolante). “Além disso, os sensores elétricos podem gerar faíscas, o que ofereceria riscos em caso de uso em ambientes com gases inflamáveis. Isso sem falar que as fibras apresentam grande resistência à corrosão e podem ser utilizadas em sistemas leves e compactos”, aponta o docente do IFGW.

No caso da fibra com núcleo embutido desenvolvida no LaFE, Cordeiro considera que ainda é possível otimizá-la. “Nosso maior objetivo foi fazer uma prova de conceito, ou seja, comprovar que conseguiríamos estabelecer uma rota simplificada para chegar a um sensor de fibra óptica que fosse sensível à pressão hidrostática. Nós não nos preocupamos no primeiro momento em extrair o melhor desempenho possível do dispositivo, o que pode ser buscado na sequência”, pontua.

Pioneiro no desenvolvimento da tecnologia no Brasil, IFGW produz agora uma nova geração de fibras ópticas, voltadas à medição de pressão hidrostática

A partir do desenvolvimento da fibra com núcleo embutido, os pesquisadores do LaFE iniciaram um segundo estudo, visando à produção de um sensor para a medicação de temperatura. Nesse caso, a estratégia é inserir dentro da estrutura do capilar um metal. Este, ao ser submetido a altas temperaturas, vai se expandir. “Estamos explorando esse deslocamento e a posição do núcleo para obter a medida da temperatura. O princípio é basicamente o mesmo do sensor de pressão hidrostática. Já submetemos um artigo sobre o trabalho a uma revista científica internacional”, revela o professor.

Na opinião do docente, envolver estudantes de graduação e pós-graduação em projetos de pesquisa que contem com a participação de pesquisadores de outras áreas e de diferentes instituições contribui para a qualificação desses futuros profissionais. “Temos uma excelente interação com colegas do Brasil e do exterior. Essa cooperação é muito importante porque traz novos aprendizados técnicos para nossos alunos, mas proporciona também ganhos em termos pessoais e culturais”, entende. A análise é compartilhada por Osório, que fez estágios durante sua pós-graduação em universidades dos Estados Unidos e Inglaterra e que, nas próximas semanas, seguirá para a Universidade de Limoges, na França, onde fará o pós-doutorado.

Fonte: Jornal da Unicamp