Da estrutura à funcionalidade: desenvolvendo vidros teluritos e microestruturas impressas em 3D para termometria por luminescência

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Baltieri, Ricardo Santos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: espectroscopia; luminescence; luminescência; óptica; optics; rare earths; remote sensing; sensoriamento remoto; spectroscopy; terras raras
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75135/tde-29052025-111345/

Esta tese investiga o desenvolvimento de materiais ópticos avançados para termometria por luminescência e tecnologias de sensores baseados em fibra, com foco em vidros à base de telurito e microestruturas impressas em 3D dopadas com íons de terras raras (RE3+, do inglês Rare-Earth). O objetivo principal foi otimizar as propriedades ópticas desses materiais para medição remota de temperatura por meio da modificação de fibras ópticas. O estudo abrange o design, síntese e caracterização de várias composições, destacando a relação entre a composição do vidro, as propriedades estruturais e o desempenho luminescente. O trabalho inicia com vidros de telurito puros dopados com cinco diferentes elementos de terras raras - Sc, Eu, Er, Tm e Yb - para explorar suas propriedades estruturais e espectroscópicas e avaliar seu potencial como plataformas sensoriais. O estudo revelou o equilíbrio entre os processos de vitrificação e devitrificação na matriz de telurito, com a espectroscopia Raman elucidando os papéis estruturais dos dopantes, bem como uma análise da luminescência no Raman. Além disso, a termometria por luminescência usando vidros dopados com Er3+/Yb3+ demonstrou boa concordância com o modelo de distribuição de Boltzmann e potencial para termômetro primário, alcançando uma sensibilidade relativa de 1,1% K-1 a 300 K, comparável aos sistemas luminescentes existentes. Na sequência, é apresentado o desenvolvimento de vidros TeO2-ZnO/ZnF2-Na2O de baixo teor de hidroxilas (OH) visando a fabricação de fibras ópticas, com o objetivo de reduzir a absorção no infravermelho e melhorar a transparência. O fluoreto de zinco foi introduzido na matriz do vidro para reduzir quimicamente o conteúdo de OH, ampliando o intervalo operacional das regiões ultravioleta (UV) até o infravermelho (IR). Foram realizadas análises estruturais, espectroscópicas e térmicas abrangentes, incluindo espectroscopia Raman, ressonância magnética nuclear (RMN), absorção UV-Vis-IR, fotoluminescência e calorimetria diferencial de varredura (DSC), para avaliar as modificações na rede e a estabilidade térmica. O estudo avançou para o desenvolvimento de microestruturas impressas em 3D dopadas com compostos de coordenação de RE, projetadas para atuar como sensores remotos de temperatura nas pontas das fibras ópticas. Isso envolveu um esforço colaborativo para imprimir resinas fotopolimerizáveis modificadas nas fibras de sílica comercialmente disponíveis, demonstrando uma aplicação inovadora da tecnologia de impressão 3D em sensores ópticos. A pesquisa explorou dois sistemas diferentes de microestruturas poliméricas impressas em 3D dopadas com Eu3+, Tb3+ e Sm3+, destacando o potencial das estruturas dopadas com Eu3+ para monitoramento térmico remoto com alta sensibilidade. O primeiro sistema foi composto por microestruturas impressas em lamínulas para microscópio, e a luminescência do Eu3+ foi utilizada em termometria por luminescência, tanto pela razão das intensidades de emissão quanto pela análise do tempo de decaimento. O método da razão das intensidades de luminescência obteve sensibilidades relativas de 1,3% K-1 a 200 K e 5,5% K-1 a 360 K, e a análise do tempo de vida atingiu 5,7% K-1 a 370 K com uma incerteza na temperatura δT de 0.3 K. Um segundo sistema investigou a integração das mesmas microestruturas, mas impressas nas pontas de fibras ópticas de sílica, alcançando sensibilidades relativas de 5,0% K-1 utilizando a razão das intensidades de luminescência e 1,6% K-1 por meio da análise colorimétrica. Este estudo abrangente une a pesquisa fundamental de materiais com tecnologias fotônicas aplicadas, contribuindo para o campo mais amplo de sensoriamento óptico. Ele demonstra o potencial de materiais luminescentes personalizados e técnicas emergentes de fabricação, como a impressão 3D, abrindo caminho para aplicações inovadoras em sensoriamento remoto, diagnósticos biomédicos e monitoramento ambiental.