Cápsula produzida em impressora 3D envolve fibras ópticas e impede a degradação

A fibra óptica é uma estrutura maciça de vidro composta por uma parte externa, a casca, e uma interna, o núcleo. Ela comumente é utilizada nas telecomunicações, na transmissão de um feixe de luz de um ponto a outro com o mínimo de perda no caminho. Essas fibras podem também ter outras aplicações, como no sensoriamento de gases. Contudo, para ser utilizada nessa área, ela precisa ter seu tamanho reduzido, o que a torna mais fina e muito frágil.

Pensando em proteger as fibras ópticas em situações em que elas são afinadas, por exemplo, em contextos de sensoriamento de gases, um grupo de cinco pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) desenvolveu um dispositivo para encapsular o material e lhe dar mais robustez.

“Esse encapsulamento atua para diminuir a fragilidade da fibra, inserindo-a dentro de uma cápsula permeável ao gás que se quer medir”, explicou à Agência de Inovação (Inova) da Unicamp um dos inventores, o pós-doutorando em física Jonas Henrique Osório, que é bolsista da FAPESP.

A cápsula é feita de material polimérico e impressa em uma impressora 3D. Segundo o pesquisador, por serem estruturas de uso comercial, a invenção tornou-se barata e de fácil acesso. “São materiais muito baratos. A fibra óptica é produzida em quilômetros por dia, custa centavos de dólar por metro”, comenta.

Além do custo-benefício, outra vantagem do estudo é que os pesquisadores também desenvolveram o método de encapsulamento, que consiste em um processo de colagem da fibra dentro da estrutura, o que facilitaria para a indústria, que já poderia adquirir o material completo.

O trabalho de encapsulamento com impressora 3D em fibras ópticas afinadas é o primeiro a ser realizado na área. O dispositivo ainda não está disponível no mercado, mas a tecnologia pode ser licenciada por empresas interessadas no desenvolvimento de um produto.

“No fim, o que você tem é um tijolinho com uma fibra dentro. Se alguém quiser utilizar isso, não precisa ter todo um treinamento de laboratório de como lidar com uma fibra tão fina, não precisa ser uma pessoa experiente”, pontua Osório.

Além do pesquisador, o estudo teve a participação do professor o Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro e dos alunos de iniciação científica Kaleb Roncatti de Souza e Beatriz Mota Lima, além da doutora Juliana Barros Carvalho.

Os resultados da pesquisa, financiada pela FAPESP, foram publicados na revista Photonic Sensors. A tecnologia foi analisada e protegida pela Inova Unicamp, com depósito de patente no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) e está disponível no Portfólio de Patentes da Unicamp.

Afinamento da fibra

Para que as fibras ópticas possam ser utilizadas no sensoriamento de gases, é preciso realizar um pós-processamento em que a fibra é afinada, reduzindo seu tamanho de 125 micrômetros de diâmetro para, tipicamente, 1 a 3 micrômetros. Essas fibras afinadas são, em inglês, chamadas de tapers. “É muito mais fina do que um fio de cabelo, o que a torna muito útil, mas frágil”, comentou o pesquisador.

Esse processo é feito porque, ao contrário das telecomunicações, caso em que o objetivo é não haver perturbação ao longo do caminho da luz, a utilização para medir gás exige que essa luz interaja com o meio externo justamente para captar o que está ao redor.

“No sensoriamento, você quer que a sua fibra ‘veja’ o exterior, que ela seja sensível a algum parâmetro de interesse e que você reconheça isso na resposta óptica da fibra. Mas de modo controlado, porque se ela for sensível a tudo, se vibrar, se mudar a temperatura, ela pode confundir o que está acontecendo. Então uma das pontas da fibra está ligada a uma fonte óptica, que pode ser um laser ou um LED, e do outro lado há um equipamento de medida, como um fotodetector”, explica Osório.

Entretanto, apesar de necessário, o processo de afinamento das fibras faz com que elas fiquem vulneráveis à degradação por inúmeros fatores, dentre eles a umidade. Como explica o pesquisador, se a fibra “nua” é colocada em um ambiente muito úmido, as gotículas de água grudarão nela e degradarão o sinal muito rapidamente. Com a cápsula, a água não chegará diretamente à fibra ou seu acesso será reduzido. Além disso, pelo fato dessa umidade ser em menor quantidade, se a fibra parar de funcionar, é possível realizar algum tipo de procedimento para que essa água evapore e o sistema volte a funcionar.

Adaptabilidade

A pesquisa, ao longo de seu um ano de desenvolvimento, também encontrou uma forma de adaptar a cápsula para fins diversos. “Essa cápsula pode ser feita completamente sólida, se você não quer que ela veja nada do meio externo, ou porosa para permitir que o gás entre, mas mantendo a robustez do sistema”, comenta Osório. Com isso, o interessado em utilizar o material pode imprimir a cápsula com poros maiores ou menores, para controlar a medição.

Outra vantagem da adaptação, segundo o pesquisador, é que a fibra dentro da cápsula não necessariamente precisa ser um taper e a aplicação não necessariamente precisa estar restrita ao sensoriamento de gases. Caso alguém tenha interesse em fazer sensoriamento biológico, por exemplo, eventualmente em outro tipo de fibra óptica que possua esse tipo de funcionalidade seria possível.

A tecnologia de encapsulamento de fibra óptica faz parte do Portfólio de Tecnologias da Unicamp e pode ser licenciada por empresas públicas ou privadas e outros institutos de pesquisa para aplicação comercial, científica e desenvolvimento complementar.

O contato e a negociação são realizados diretamente com a Inova Unicamp por meio do formulário de Prospecção ou Licenciamento.

O artigo 3D Printing Technology for Tapered Optical Fiber Protection With Gas Sensing Possibilities pode ser lido em: https://link.springer.com/article/10.1007/s13320-020-0592-3.