Tubos inteligentes sentem propriedades físicas e químicas dos líquidos transportados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/10/2021

Os cristais fonônicos formam uma cavidade de Fabry-Perot, uma técnica já usada para interferometria.
[Imagem: A. Gueddida et al. - 10.1063/5.0051660]

Tubos inteligentes

Em vez de dotar dutos e encanamentos de sensores para monitorar o que está fluindo por eles, pode ser mais simples transformar os próprios canos em sensores.

Isso tornará os canos capazes de se automonitorar continuamente em toda a sua extensão, e não apenas nos pontos específicos em que os sensores são colocados hoje.

Essa possibilidade foi criada por Abdellatif Gueddida e colegas da Alemanha, Dinamarca e França, que deram um novo uso para os cristais fonônicos, materiais que afetam e são afetados pelo comportamento das ondas sonoras, cujas "partículas" são chamadas fônons.

Gueddida descobriu que uma camada de cristais fonônicos aplicada no interior de um tubo consegue detectar praticamente qualquer informação sobre os gases ou líquidos que fluem por esse tubo, incluindo volume, densidade, viscosidade, velocidade do fluxo etc.

Eles acreditam que poderão detectar também as propriedades bioquímicas dos líquidos, já que os sensores detectam até mesmo se o líquido ou gás está misturado, como álcool e água, por exemplo.

"Dependendo do tamanho, o dispositivo pode ser usado em pequena escala, em aplicações microfluídicas, em média escala, nas seringas usada em medicina, ou em maior escala, em engenharia civil para roteamento de gás em dutos," disse o professor Yan Pennec.

Os sensores fonônicos produzem sinais distintos para misturas específicas.
[Imagem: A. Gueddida et al. - 10.1063/5.0051660]

Cristal fonônico tubular

Assim como um cristal comum interfere com as ondas de luz, um cristal fonônico pode guiar, controlar e manipular ondas acústicas e elásticas. Eles permitem, por exemplo, manipular o calor como se fosse luz.

A novidade é que Gueddida criou um cristal fonônico tubular, estruturado na forma de um arranjo periódico de "arruelas" ao longo do tubo.

Conforme um líquido percorre o tubo, o movimento induz ondas que alteram uma propriedade eletrônica dos cristais fonônicos conhecida como hiato de energia (bandgap), uma espécie de "vazio" entre as bandas de valência e de condução do material.

Com o espaçamento adequado entre as arruelas, a equipe criou o que os físicos chamam de cavidade de Fabry-Perot, que faz com que as ondas entrem em ressonância, o que cria picos e vales no hiato de energia. E esses picos e vales são sensíveis à densidade e à velocidade do som do fluido que flui dentro do tubo, apresentando maior sensibilidade às variações da densidade de massa do que da velocidade do som.

A equipe afirma que sua inovação inaugura um novo campo de aplicação para as metassuperfícies acústicas, que se comprovaram agora úteis também em líquidos, abrindo caminho para aplicações subaquáticas - até agora essas metassuperfícies só haviam sido demonstradas no ar.

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