Manufatura aditiva no fabrico de células de vapor de metal alcalino para magnetoencefalografia

janeiro 2022 João Miguel Rodrigues Fontoura Borlido Manufatura aditiva no fabrico de células de vapor de metal alcalino para magnetoencefalografia Manufatura aditiva no fabrico de células de vapor de metal alcalino para magnetoencefalografia janeiro 2022 João Miguel Rodrigues Fontoura Borlido i João Miguel Rodrigues Fontoura Borlido Manufatura aditiva no fabrico de células de vapor de metal alcalino para magnetoencefalografia Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Biomédica Trabalho efetuado sob a orientação do Doutor José Artur Oliveira Rodrigues Dezembro 2022 i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ii AGRADECIMENTOS Dedico as primeiras palavras de agradecimento ao meu orientador, Doutor José Rodrigues pela incansável paciência, perseverança e disponibilidade demostrada no acompanhamento contínuo desta dissertação. Neste sentido deixo também um especial obrigado aos meus colegas Bruno Esteves e Hugo Pereira que acompanharam de perto este projeto e cuja palavra e conselho sempre me guiaram a bom porto. Agradeço ao professor José Higino Correia pela oportunidade de trabalhar neste projeto e me ter proporcionado a interação com os colegas de S. Cosme. Rúben Freitas, Eliana Vieira, Sara Pimenta, Marino Maciel, Manuel Silva, Rui Freitas, e Nuno Gomes, um enorme obrigado pelo permanente bem-estar, simpatia e motivação contagiante. Estou extremamente grato por ter tido o privilégio de passar esta etapa ao lado de pares que durante todo o percurso se mostraram cheios de empatia e capazes de dar sempre o conselho certo. Um grande obrigado ao Diogo Juvandes, ao Florival Cunha, ao José Vieira e ao Vítor Rodrigues por tudo isto e que venham mais debates cinematográficos profundos e presença religiosa em cada filme. Quero agradecer à minha terra, Viana do Castelo, cujos ares da montanha, do rio e do mar me deram a inspiração necessária para realizar este projeto. Nesta Terra lindíssima, ponto de encontro dos amigos mais próximos do meu coração, quero agradecer ao “Gangue do livrinho” pelos nossos encontros de onde levo memórias profundas e ao “ Friendsforever ” por todos os pores-do-sol cafés até à madrugada. Também agradeço ao agrupamento de escuteiros 538-Darque por todo o acompanhamento espiritual, companheirismo e todas as atividades que me aproximaram do homem novo. O maior dos obrigados à minha melhor amiga Juliana Canastra que desde da minha infância me acompanha e me deu todo o seu apoio incondicional. Quero agradecer à terra que me acolheu, Braga, e a todas as amizades que durante estes 5 anos tive o privilégio de nutrir. Um gigante obrigado à Salomé Luís, à Inês Teixeira, à Eduarda Ribeiro, à Maria Amorim e à Joana Palmeiro por terem sido as colunas sólidas que garantiram a minha salubridade metal e que apesar dos nosso caminhos divergirem espero que possa levar estas amizades profundas para o resto da minha vida. Ao “ Infamilia” dedico um particular obrigado por me terem acolhido e por darem o privilégio de privar com cada um de vós em cada instante. Agradeço também à Tuna de Medicina da Universidade do Minho pela riquíssima experiencia académica que me proporcionou e um especial agradecimento à minha madrinha Ana Simão “Chun-Li” por todas as conversas até tardes horas dentro dos mais variados veículos. Termino por agradecer a toda a minha família e em especial aos meus pais, João Borlido e Zulmira Borlido, e à minha irmã, Mariana Borlido, por serem a minha rede de apoio e o meu porto seguro. iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv Abstract The magnetoencephalography (MEG) exam is one of the technologies that allows the mapping of brain electrophysiology by recording magnetic fields emanating from the brain. In this technology, the main sensing technology is based on superconducting quantum interference devices (SQUIDs). These bulky devices are expensive to manufacture and maintain, and therefore, optical pumping magnetometers (OPMs) have emerged more recently as magnetic sensing alternatives that are comparable in sensitivity to SQUIDs. The ability to adjust to the patient's head allows us to conceptualize the development of a structure based on this technology, formed by several rubidium (Rb) cells, which is the main component of OPMs. This master's dissertation had as its main objective the development of a Rb vapor cell, through additive manufacturing (AM) techniques, in order to obtain an alternative to the techniques of microelectromechanical systems (MEMS). In the modeling technology by deposition of molten material (FDM), nylon was selected to make up the vapor cell and thermoplastic polyurethane (TPU) to serve as a support structure, while in the AM technology by photopolymerization, a transparent resin. Several iterations of cell design and printing parameters were performed for each material, resulting in a cubic cell measuring 10mm on each edge and with a wall thickness of 0.40mm. The present dissertation also evaluated the effect of the application of various coatings (alumina, sodium silicate and acrylic) on the transmittance and polarization of light, as well as its effect on the tightness of the cell. These tests resulted in a final cell coated externally with acrylic and internally with alumina. Regarding the production of Rb vapour, it was necessary to obtain rubidium azide (RbN3) from the reaction between silver azide (AgN3) and rubidium chloride (RbCl). The introduction of the RbN3 solution into the cell was carried out through a pipetting procedure followed by evaporation of the water. The cell was finally introduced into a vacuum chamber and sealed. The production of Rb vapor was performed by exposing the cell with RbN3 to 254 nm ultraviolet (UV) radiation. The work developed in this dissertation establishes relevant foundations in the development of OPMs by MA. Keywords: additive manufacturing, alkali metal vapor cells, optical pump magnetometers, rubidium. v RESUMO O exame de magnetoencefalografia (MEG) é umas das tecnologias que permite realizar o mapeamento da eletrofisiologia cerebral através do registo de campos magnéticos emanados pelo cérebro. Neste método de diagnóstico a principal tecnologia de sensorização baseia-se nos dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs). Estes dispositivos são volumosos, apresentam um custo de fabrico e manutenção elevados e portanto, os magnetómetros de bombeamento ótico (OPMs) surgem mais recentemente como alternativas de sensorização magnética equiparáveis em sensibilidade aos SQUIDs. A capacidade de ajuste à cabeça do paciente permite conceptualizar o desenvolvimento de uma estrutura baseada nesta tecnologia, formada por várias células de rubídio (Rb), que constitui a principal componente dos OPMs. A presente dissertação de mestrado teve como objetivo principal o desenvolvimento de uma célula de vapor de Rb, através de manufatura aditiva (MA), de forma a obter uma alternativa às técnicas de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Na MA de modelação por deposição de material fundido (FDM) selecionou-se o nylon , para perfazer a célula de vapor e o termoplástico poliuretano (TPU), para servir de estrutura de suporte, já na tecnologia de MA por fotopolimerização selecionou-se uma resina transparente. Realizaram-se varias iterações de design da célula e dos parâmetros de impressão de cada material, resultando numa célula cubica de com 10 mm em cada aresta e com 0.40 mm de espessura de parede. A presente dissertação também avaliou o efeito da aplicação de vários revestimentos (alumina, silicato de sódio e acrílico) na transmitância e na polarização da luz, bem o seu efeito na estanquicidade da célula. Este testes resultaram numa célula final revestida externamente com acrílico e internamente com alumina. No que toca à produção de vapor de Rb, foi necessário obter azida de rubídio (RbN3) da reação entre azida de prata (AgN3) com cloreto de rubídio (RbCl). A introdução da solução de RbN3 na célula foi realizada através de um procedimento de pipetação seguida da evaporação da água. A célula foi finalmente introduzida numa câmara de vácuo e selada. A produção de vapor de Rb foi realizada através da exposição da célula com RbN3 a radiação ultravioleta (UV) de 254 nm. O trabalho desenvolvido nesta dissertação estabelece alicerces pertinentes no desenvolvimento de OPMs por MA. Palavras-Chave: manufatura aditiva, células de vapor, magnetómetros de bombeamento ótico, rubídio. vi Conteúdo 1 Introdução .................................................................................................................. 1 1.1 Biomagnetismo cerebral ............................................................................................... 2 1.1.1 Fonte do Sinal ................................................................................................................... 2 1.1.2 Relevância na área médica ............................................................................................... 4 1.2 Os sistemas de magnetoencefalografia ......................................................................... 4 1.3 Magnetómetros de bombeamento ótico ....................................................................... 7 1.4 Motivação e objetivos .................................................................................................. 9 1.5 Estrutura da dissertação ............................................................................................. 10 2 Métodos de fabrico: Estado da arte .......................................................................... 12 2.1 Métodos Convencionais de Fabrico de Células de Vapor .............................................. 13 2.2 Manufatura aditiva .................................................................................................... 16 2.2.1 Introdução ...................................................................................................................... 16 2.2.2 Modelação por deposição de material fundido .............................................................. 21 2.2.3 Manufatura aditiva por fotopolimerização ..................................................................... 25 2.2.4 Manufatura aditiva em contexto médico ....................................................................... 28 2.3 Suportes das estruturas e considerações de design ..................................................... 30 3 Metodologia/Plano de Trabalho ............................................................................... 35 3.1 Design e métodos de fabrico da célula de vapor ......................................................... 36 3.1.1 Escolha dos materiais e método de fabrico .................................................................... 36 3.1.2 Design e distribuição matricial ........................................................................................ 38 3.2 Produção de vapor de rubídio ..................................................................................... 40 3.3 Processo de selagem .................................................................................................. 43 3.4 Método de revestimento ............................................................................................ 45 3.4.1 Estudo da transmitância ................................................................................................. 48 3.4.2 Estudo da polarização ..................................................................................................... 50 3.5 Estudo da Estanquicidade da célula............................................................................. 52 4 Resultados e discussão ............................................................................................. 53 4.1 Otimização dos processos de impressão ...................................................................... 54 4.1.1 Nylon ............................................................................................................................... 54 4.1.2 TPU ................................................................................................................................. 57 4.1.3 Resina ............................................................................................................................. 60 xiii Lista de siglas e acrónimos A ABS Acrilonitrila butadieno estireno AIBN Isobutironitrilo AVCs Acidentes vasculares cerebrais C CARTIS Centre for Applied Reconstructive Technologies in Surgery CMOS Semicondutores metal-óxido complementar D DMDs Microespelhos digitais DLP Processamento digital de luz F FDM Modelação por deposição de material fundido I IPA Álcool isopropílico L LCD Visor de cristal líquido M MA Manufatura aditiva MEMS Sistemas microeletromecânicos MEG Magnetoencefalografia MMA Metilmetacrilato MRI Ressonância magnética O OPMs Magnetómetros de bombeamento ótico xiv P PA Poliamida PC Policarbonato PEI Polieterimida PET Polietileno teraflato PLA Ácido polilático PMMA Polimetilmetacrilato PR Prototipagem Rápida PS Poliestireno PVA Acetato de Polivinilo PVD Deposição física de vapor S SERF Spin-Exchange Relaxation Free SLA Estereolitografia SQUIDs Dispositivos supercondutores de interferência quântica T TC Tomografia computadorizada TPU Termoplástico poliuretano U UV Ultravioleta xv Lista de símbolos químicos Símbolo Descrição K+ Ião de potássio Na+ Ião de sódio ClIão de cloro Nb Nióbio He Hélio Rb Rubídio 87Rb Rubídio-87 85Rb Rubídio-85 RbN3 Azida de rubídio Ba(N3)2 Azida de bário RbCl Cloreto de rubídio AgNO3 Nitrato de prata NaN3 Azida de sódio AgN3 Azida de prata NaNO3 Nitrato de sódio AgCl Cloreto de Prata N2 Azoto Al2O3 Alumina (C5O2H8)n Acrílico Na₂SiO₃ Silicato de sódio xvi Lista de grandezas Símbolo Descrição Unidade (SI) B Campo magnético T T Temperatura K Φ Fluxo magnético Wb λ Comprimento de onda m P Pressão Pa E Campo elétrico V 1 INTRODUÇÃO 2 1.1 BIOMAGNETISMO CEREBRAL O cérebro é um dos órgãos mais complexos do ser humano e dos que mais interesse suscita na comunidade científica, devido ao seu potencial de estudo e por lhe estarem inerentes as mais diversas manifestações da existência humana, desde a consciência e a psique, ao controlo e articulação de diversas funções biológicas. Esta complexidade deve-se principalmente ao facto do funcionamento deste órgão estar assente na interação de milhões de células especializadas, os neurónios, que comunicam entre si e se agrupam de acordo com a função cerebral a desempenhar, como pode ser observado na Figura 1.1 [1]. Figura 1.1. Mapa das funções cerebrais. Adaptado de [2]. Todo o processamento e propagação de informação é realizado por estas células através do fluxo de pequenas correntes elétricas, que se propagam através de fenómenos bioquímicos e biofísicos. Este fluxo de corrente elétrica, ao longo dos vários neurónios em atividade, produz campos magnéticos, que são amplificados pela escala de interações que existem simultaneamente num dado momento [1,3]. A interação construtiva que ocorre entre os vários campos magnéticos gerados permite a obtenção de leituras da magnitude do sinal biomagnético criado. Apesar da amplificação biológica do sinal, a ordem de grandeza do sinal medido ronda os femtotesla (fT,10-15 T), sendo necessário empregar métodos não invasivos como é o caso da magnetoencefalografia (MEG) para assim mapear a atividade cerebral em tempo real [3,4]. 1.1.1 FONTE DO SINAL O sinal biomagnético cerebral tem a sua génese nos processos eletroquímicos que ocorrem dentro das partes constituintes do neurónio: o corpo celular, que consiste no local onde a célula realiza as suas 3 atividades metabólicas; a dendrite, que se refere às ramificações adjacentes ao corpo celular e que é responsável pela receção da informação proveniente de outros neurónios; o axónio, cuja estrutura permite a propagação do impulso elétrico e finalmente o cone axonal, que corresponde ao local onde se inica o potencial de ação. É possível verificar a estrutura de um neurónio esquematizada na Figura 1.2 [5]. Figura 1.2. Esquema representativo de um neurónio. Adaptado de [6]. O processo eletroquímico da transmissão neuronal está associado à diferença de concentrações de iões de potássio (K+), sódio (Na+) e cloro (Cl−) no ambiente intracelular e extracelular. Quando a célula se encontra em estado de repouso esta diferença cria um potencial elétrico na ordem dos –70 mV [7]. Este potencial de repouso matem-se estável quando não existe atividade neurológica, sofrendo alterações aquando de uma perturbação, causada pela ocorrência de uma sinapse. Este fenómeno consiste na comunicação entre dois neurónios, através da libertação e receção de neurotransmissores, entre o final do axónio de um neurónio (neurónio pré-sináptico) e início da dendrite de outro neurónio (neurónio póssináptico). A troca química desencadeia a abertura dos canais iónicos no neurónio pós-sináptico, criando um fluxo de potencial elétrico na dendrite (potencial pós-sináptico). Se este for elevado o suficiente na chegada ao cone axonal, provoca a criação de um impulso elétrico que se propaga pelo axónio (potencial de ação). A ocorrência destes dois processos formam a base da comunicação neuronal e permitem a captação do sinal biomagnético [7]. 4 1.1.2 RELEVÂNCIA NA ÁREA MÉDICA A saúde mental é atualmente um dos fatores que mais aflige a população mundial devido ao caráter debilitante e repentino das doenças existentes, bem como pelas insuficientes opções de cura e tratamento. Desta forma torna-se pertinente a existência de mecanismos e técnicas capazes de estudar com profundidade o comportamento neuronal. Só desta forma se torna possível avançar o conhecimento na área bem como realizar diagnósticos precisos e significativos. Dos distúrbios neurológicos principais destacam-se os acidentes vasculares cerebrais (AVCs), a doença de Alzheimer, a epilepsia e a doença de Parkinson [8]. Os exames de MEG realizam a aquisição e mapeamento dos sinais biomagnéticos cerebrais, ao sincronizar principalmente os campos magnéticos criados por correntes originárias de potenciais póssinápticos. Isto permite o diagnóstico dos diferentes distúrbios acima descritos, e ainda analisar em tempo real a evolução dos mesmos ao longo do tempo [9]. 1.2 OS SISTEMAS DE MAGNETOENCEFALOGRAFIA A medição do sinal biomagnético cerebral tem a sua origem no século XX através da interação multidisciplinar de vários conceitos físicos desenvolvido nesse século. Inicialmente as primeiras tentativas baseavam-se na direta aplicação de um sistema de espiras para induzir corrente elétrica a partir dos campos magnéticos gerado pelo cérebro humano, mas desde cedo se entendeu que o sinal continha muitos distúrbios e interferências para ser interpretável. A mitigação da interferência magnética mantemse um dos principais desafios desta tecnologia até aos dias de hoje [10]. Na década de 60 e até aos anos 90 do século XX foram desenvolvidos os supercondutores de interferência quântica (SQUIDs) e incorporados nos dispositivos MEG, tendo em atenção um isolamento magnético eficaz de fontes exteriores indesejadas através de salas magneticamente isoladas ou gradiómetros, tornando-se assim o tipo de dispositivo utilizados atualmente [10,11]. A tecnologia dos SQUIDs baseia-se no fenómeno da supercondutividade, onde com arrefecimento de alguns materiais a temperaturas perto de 0 K, diminui-se drasticamente a sua resistência elétrica e permite o fluxo de carga sem perdas de energia. Estes sensores utilizam uma estrutura anelar metálica, e.g. Nióbio (Nb), que é arrefecida a 4 K com Hélio (He) líquido para se atingir a supercondutividade do material. Aquando da existência de um sinal biomagnético, este provoca um fluxo de corrente elétrica numa bobina, gerando um campo magnético amplificado que é captado pela estrutura supercondutora, e cuja corrente soma às super-correntes que já fluem no material (Figura 1.3). Caso a corrente total 5 gerada pelo fluxo magnético ultrapasse o valor crítico regista-se uma diferença de potencial. Tendo em consideração a natureza alternada da relação entre o fluxo magnético e a tensão gerada, para operar na região de maior declive dV/dΦ, a eletrónica associada induz uma corrente de feedback para equilibrar o fluxo do campo magnético, através do supercondutor. Por fim esta intensidade da corrente de feedback é utilizada como métrica para inferir a magnitude do sinal biomagnético cerebral [12,13]. Figura 1.3. Esquemático do funcionamento de um SQUID. Adaptado de [14]. Atualmente os sensores SQUID apresentam sensibilidade abaixo da magnitude dos sinais biomagnéticos emanados pelo cérebro humano, com uma largura de banda elevada e gama dinâmica até aos nT, o que justifica a sua implementação nos sistemas de MEG. Contudo é necessário observar o sistema de forma crítica, à luz da vertente económica e também do espetro de aplicações que a conjetura criada por estes sistemas permite. No que toca à sua rentabilidade, a utilização de He líquido torna o equipamento muito dispendioso, quer o fabrico quer a respetiva manutenção. O equipamento também apresenta um grande volume por forma a alojar toda a maquinaria e material isolador, como pode ser visto na Figura 1.4. Relativamente ao espetro de aplicabilidade, por ser um equipamento com enormes custos associados, este é desenhado e desenvolvido de forma padronizada, universal e estática, o que limita a sua ação, ao não ser personalizável de acordo com as necessidades de cada paciente [15,16]. 6 Figura 1.4. Equipamento de MEG baseado em SQUIDs. Adaptado de [15]. As limitações e desvantagens da MEG baseada em SQUIDs criou a necessidade de desenvolver alternativas de sensibilidades semelhantes. Destes destacam-se os SQUIDs de alta temperatura de transição crítica, SQUIDs híbridos, centros de vacância de azoto e OPMs. Este último revela-se como a alternativa com mais potencial, visto que não necessita de recorrer ao fenómeno da supercondutividade e portanto todos os gastos associados ao arrefecimento por He deixam de ser incorridos. Outras vantagens deste sistema estão relacionadas com o seu tamanho reduzido e a sua versatilidade de se adaptar à cabeça do paciente, através de toucas maleáveis. Este sistema melhora drasticamente a resolução espacial do mapeamento do sinal biomagnético cerebral, bem como permite a execução de testes com mobilidade, como pode ser observado na Figura 1.5 [17]. Figura 1.5. Equipamento de MEG baseado em OPMs. Adaptado de [15]. 13 2.1 MÉTODOS CONVENCIONAIS DE FABRICO DE CÉLULAS DE VAPOR Antes de equacionar a hipótese da aplicação da MA para a produção de células de vapor, é necessário realizar uma contextualização dos métodos atualmente empregues no seu fabrico, de onde se destaca a tecnologia de MEMS. Os MEMS correspondem à integração de componentes elétricos e mecânicos à microescala, entre 1 µm e 100 µm, perfazendo sensores com uma gama de dimensão entre os 20 µm e 1 mm. Os MEMS evoluíram maioritariamente da tecnologia de fabricação de semicondutores, ou seja, da tecnologia de semicondutores metal-óxido complementar (CMOS). Esta tecnologia baseia-se normalmente em técnicas de deposição de filmes finos, padronização por fotolitografia e corrosão para realizar o layout do dispositivo [22]. Esta tecnologia permite a criação de estruturas capazes de gerar um ambiente interno da célula munido das condicionantes de pressão e temperatura necessárias, bem como das quantidades adequadas de gases neutros e de metal alcalino no estado gasoso. Neste sentido é possível dividir as abordagens de acordo com o tipo de processo utilizado, a arquitetura da célula e a forma de como o metal alcalino é inserido e funcionalizado [23]. As técnicas que utilizam o metal alcalino em estado puro permitem a passagem do elemento químico para o estado gasoso, não recorrendo a reações químicas secundárias. Dentro destas formas de fabrico destacam-se principalmente as técnicas de pipetação e de sopro de vidro [24,25]. O método de pipetação corresponde à utilização de uma placa de silício disposta entre duas placas de vidro, formando o encapsulamento desejado, como se pode observar na Figura 2.1. Neste processo, primeiramente, realiza-se uma corrosão da placa de silício, por forma a criar um orifício correspondente ao caminho ótico da célula e de seguida esta é colocada sobre a placa de vidro com a finalidade de construir a parede inferior da célula. A união das placas de vidro e silício é realizada por um processo de ligação anódica que submete estas placas a uma temperatura de 400 °C e a uma tensão de aproximadamente 1 KV. Após a união das placas, o metal alcalino em solução aquosa é inserido por pipetação e em seguida a célula é fechada na face superior com outra placa de vidro, mais uma vez por um processo de ligação anódica [23]. 14 Figura 2.1. Célula resultante do método de pipetação. Adaptado de [26]. O processo de sopro de vidro é utilizado há muito tempo na produção de células de vapor macroscópicas. Esta técnica consiste na utilização de um tubo de vidro com duas câmaras, que permite a evaporação do metal alcalino e a condensação do mesmo em forma de gotas. Após o metal alcalino estar condensado na segunda câmara, a conexão entre as duas é celada utilizando um fonte de calor, resultando numa célula de vapor estanque (Figura 2.2) [26]. Figura 2.2. Célula resultante do método de sopro de vidro. Adaptado de [26]. Existe ainda uma técnica de produção de células de vapor esféricas, que alia conceitos de sopro de vidro e pipetação cujo processo pode ser observado na Figura 2.3. Neste processo a célula é aquecida para que a placa de vidro superior se deforme com a expansão dos gases inertes encapsulados. Esta expansão confere à célula um formato esférico e diminui a espessura da parede atravessada pelo feixe de luz, melhorando a transmitância da parede e, por consequência, a qualidade do caminho ótico [27]. 15 Figura 2.3. Fases do fabrico de uma célula de vapor esférica. Adaptado de [27]. Relativamente às técnicas que utilizam reações químicas para a produção de metal alcalino, as geometrias e materiais utilizados são semelhantes aos abordados previamente, apenas alterando os métodos de obtenção do metal alcalino dentro da célula. No caso do 87Rb as reações estão assentes na utilização de azida de bário Ba(N3)2 e cloreto de rúbido (RbCl) ou na utilização de RbN3 e posterior exposição à radiação ultravioleta (UV) [28,29]. Com este enquadramento, onde é notória a complexidade de fabrico torna-se pertinente a adaptação destas técnicas para viabilizar métodos de manufatura ainda inexistentes nesta área, como é o caso da MA. Ligação anódica Aquecimento a 850ºC Corrosão da parte inferior do silício Pipetação de metal alcalino e selagem da célula Corrosão do silício 16 2.2 MANUFATURA ADITIVA 2.2.1 INTRODUÇÃO Com o advento da revolução industrial no final de século XVIII e início do século XIX, o ser humano conheceu uma mudança drástica no contexto do seu nível de vida e na sua capacidade de gerar riqueza. O acesso a bens manufaturados de qualidade a preços reduzidos e o escalar da tecnologia industrial devem-se assim ao desenvolvimento dos meios de produção em massa, e à padronização desse paradigma de produção nos séculos seguintes [30,31]. A manipulação da matéria-prima estabeleceu-se principalmente tendo em conta formatos subtrativos, isto é, a transformação do bloco de material inicial, geométrico ou amorfo, no produto final através da remoção consecutiva e metódica de material (Figura 2.4). No final do processo resulta a peça ou objeto acabado e os resíduos da remoção que podem ser refundidos sem alterar as suas propriedades, caso se trate de um material que tenha essa capacidade [32]. Figura 2.4. Manufatura subtrativa. Adaptado de [33]. Outro paradigma convencional, observado na Figura 2.5, consiste na utilização de moldes de vários materiais, desde cerâmicos a metálicos, para a criação de peças, normalmente concebidas para ser manufaturadas em grande escala e com grande capacidade de escoamento. A produção de moldes dáse através de processos precisos de manufatura subtrativa, tornando-o altamente dispendioso [34]. Figura 2.5. Moldação por injeção. Adaptado de [35]. 17 Estes paradigmas vingam até aos dias de hoje, sendo que muita da comunidade industrial se sente confortável com estes processos, apresentando boa viabilidade económica e boa resposta às suas necessidades comerciais. Contudo é importante salientar que a crescente necessidade da criação de variabilidade e versatilidade nas linhas de produção leva a que vários setores da indústria se tornem recetivos a outras tecnologias [36]. A MA, ou comumente chamada de impressão 3D, surge neste contexto de procura industrial. Nesta tecnologia, um objeto é criado começando do nada, através da sucessiva adição de material, camada a camada segundo o formato desejado até se obter um objeto final. O crescimento do interesse por esta tecnologia não é nada mais que a evolução e convergência de técnicas, que já se encontravam ao alcance conceptual do ser humano. Contudo, a escassez de formas de automação deste processo e o preenchimento de requisitos que permitem que se torne atrativo para as empresas, continuam a ser os fatores que mais influenciam o estado primário em que a tecnologia ainda se encontra [37,38]. A MA também corresponde à formalização do nome prototipagem rápida (PR). Este termo é usado numa variedade de indústrias para descrever um processo que crie rapidamente uma representação do produto ou peça antes da comercialização. Isto permite à equipa de gestão de projeto receber feedback do protótipo e realizar as alterações necessárias. Contudo este termo revela-se desadequado pois não descreve as aplicações mais recentes da tecnologia, visto que já tem um foco na produção da peça final [39]. Em qualquer técnica de MA existem passos a seguir que correspondem à evolução da criação do produto, desde a sua conceptualização computacional até ao fabrico, como se pode observar na Figura 2.6. Figura 2.6. Fases do processo de MA [39]. 1. CAD 2. Converter em STL 3. Transferir ficheiro para o equipamento 4. Configuração do equipamento 5. Impressão 6. Remoção 7. Pós-processamento 8. Aplicação 18 O primeiro passo consiste no desenho computacional da peça em formato CAD 3D, onde todas as suas partes devem ser definidas manualmente consoante a sua geometria externa ou utilizando tecnologias de engenharia reversa como scanning, para obter o formato digital da peça. O segundo passo corresponde à conversão do ficheiro num formato que consegue ser interpretado pelo equipamento de impressão, e.g. STL [40]. O terceiro e quarto passos estão associados à configuração do software do equipamento e manipulação do ficheiro STL inserido no mesmo. Isto consegue ser realizado através de software de fatiamento ( slicer ) ajustado ao tipo de máquina que é utilizada, permitindo a personalização quer da posição e tamanho da peça, bem como propriedades funcionais, como espessura de camada e velocidade de impressão. A quinta etapa corresponde ao fabrico da peça pretendida, processo maioritariamente automatizado que não necessita de ser supervisionado, excecionando erros de falta de material, falhas elétricas ou problemas de adesão à superfície [39]. A sexta etapa indica que deve ser feita a remoção da peça por forma a não danificar a sua integridade estrutural. Uma vez fora da máquina, passa-se à sétima etapa, que consiste na realização de um pós-processamento, caso a peça necessite de limpeza adicional ou fortalecimento das ligações, intercalada com tratamento por calor ou radiação UV. A última etapa corresponde à peça finalizada e pronta para ser aplicada num sistema composto ou individualmente [39]. Na MA, cada camada corresponde a uma seção transversal fina da peça, derivada dos dados CAD originais. Obviamente, no mundo físico, cada camada deve ter uma espessura finita, tornando a peça fabricada numa aproximação dos dados fornecidos computacionalmente. Quanto mais fina for cada camada, mais próxima a peça fabricada estará do original como ilustrado na Figura 2-7. Figura 2.7. Aproximação da superfície do ficheiro CAD realizada pela MA [31]. Todos os equipamentos de MA comercializados até ao momento usam uma abordagem baseada na adição de camadas, sendo que a principal diferença está nos materiais que podem ser usados e o modo como as camadas são criadas [39]. 19 Na MA existem muito mais metodologias para além da impressão 3D. Há inúmeros parâmetros do projeto que podem ser ajustados consoante a necessidade funcional ou estética do produto. De entre estes destaca-se a velocidade de fabrico, a qualidade da superfície, a eficiência, a resolução da camada, a precisão dimensional, o tamanho de construção, o custo, a resistência e o material que se pretende utilizar. Portanto, foram desenvolvidas várias técnicas de impressão 3D ao longo das últimas décadas como é possível observar na Tabela 2-1 [41]. No entanto, no âmbito desta dissertação será mais relevante abordar as técnicas de MA por FDM e MA por fopolimerização. Tabela 2.1. Processos de MA. Adaptada de [42] Categorias Materiais Utilizados Fonte de energia/Cura Características Modelação por deposição de material fundido Termoplásticos Energia Térmica - Equipamento barato - Resolução limitada - Mau acabamento superficial Sinterização seletiva a laser Polímeros, poliamidas e metais Laser de alta potência ou feixe de eletrões - Detalhe e precisão elevada - Boas propriedades mecânicas Fototopolimerização Fotopolímeros Laser ou luz UV - Velocidade de impressão alta - Excelente resolução - Materiais dispendiosos Jato de material Cera fotopolimérica Energia térmica/fotocura - Fraca resistência mecânica - Bom acabamento superficial Jato de ligante Pós cerâmicos, poliméricos e metálicos Energia térmica - Versatilidade de materiais - Alta porosidade Construção de objetos em lâminas Filmes metálicos, plásticos e cerâmicos Laser - Bom acabamento superficial - Baixo custo Deposição de energia direcionada Pós de metal fundido Laser - Reparação de partes com danos Outros processos de fabrico exigem uma análise cuidadosa e detalhada da geometria da peça para determinar coisas como a ordem em que as diferentes partes podem ser fabricadas, que ferramentas e processos devem ser usados, e quais dispositivos adicionais podem ser necessários. Em contraste, a MA 20 precisa apenas de alguns detalhes dimensionais básicos, uma pequena quantidade de compreensão sobre como a máquina funciona e os materiais que são usados para construir a peça [43]. A tecnologia tem-se desenvolvido desde da segunda metade do século XX, sendo que a creditação da invenção da impressão 3D é dada a Charles Hull em 1986 e cuja base se encontra na invenção das impressoras de tinteiro convencionais. Desde a sua invenção, a impressão 3D ramificou-se para várias indústrias, como a automóvel, aviação, medicina entre outras, sendo que nos anos 90, o Wake Forest Institute of Regenerative Medicine utilizou essa tecnologia para a criação de scaffolds para utilização em órgãos e já no início dos anos 2000 esta tecnologia desenvolveu-se para criar próteses de órgãos funcionais. Desde então são cada vez mais as áreas abrangidas por esta tecnologia, desde a indústria ao uso doméstico [30,44,45]. A principal vantagem da MA é permitir a obtenção de peças de complexidade geométrica que antes não podiam ser fabricadas com métodos tradicionais, sem para isso ter que existir uma configuração elaborada da máquina ou uma montagem diferencial da mesma. Para além disso, a MA permite criar paredes finas com facilidade, simplifica a consolidação das peças através da produção dos componentes já articulados, permite a automação quer do processo de fabrico quer do pré-processamento e por fim, quanto mais variabilidade e complexidade tiver a peça mais economicamente benéfica se torna esta tecnologia, quando comparado com métodos convencionais [46]. Os processos de MA muitas vezes são apontados como formas de responder ao desafio moderno da sustentabilidade visto que representam uma diminuição abrupta da quantidade de desperdício de resíduos, resultante de uma manufatura subtrativa, bem como apresenta uma grande capacidade de reutilização dos mesmos. Abordando a questão da sustentabilidade, os processos de MA não necessitam de recursos adicionais como ferramentas de corte, acessórios, líquidos refrigeradores entre outros, como se verifica em processos de manufatura convencional [47]. No que toca às principais barreiras associadas a esta tecnologia, consegue-se destacar a dicotomia entre a utilização de processos para fabricação personalizada e uso em fabricação em massa. A tecnologias de MA não são economicamente viáveis quando se pretende escalar a produção do produto em questão, pois o tempo de impressão tona-se um fator indesejável, comparando com outros processos de fabrico em massa, que apesar de apresentarem um custo inicial superior, tonam-se rentáveis a longo prazo. Outra dicotomia que carateriza uma desvantagem do processo corresponde à proporcionalidade inversa existente entre a resolução da camada e o escalamento do tamanho da peça, visto que uma camada mais fina garante um melhor acabamento superficial, mas aumenta drasticamente o tempo de impressão [42]. 21 Em suma, é necessário fazer um equilíbrio entres estes fatores e os apresentados na Tabela 2.2 para viavelmente adotar as tecnologias de MA em toda a sua plenitude. Tabela 2.2. Vantagens e desafios da MA. Adaptada de [48] Vantagens Desafios Produtos manufaturados em pequenas quantidades são economicamente mais atrativos Altos custos de produção para grandes remessas e baixa velocidade de fabrico Não existem custos associados a ferramentas adicionais ou moldes Necessita de desenvolvimento e padronização de novos materiais Eficiente no uso de material e alta potencialidade de reutilização Não permite facilmente a criação de peças multimaterial e multicor Os ficheiros digitais podem ser facilmente melhorados e customizados Necessidade de pós-processamento Possibilita a criação de estruturas complexas Falta de engenheiros e designers com competências para utilizar a tecnologia As peças têm reduzida porosidade Dificuldade na reutilização de suportes 2.2.2 MODELAÇÃO POR DEPOSIÇÃO DE MATERIAL FUNDIDO A FDM é o que a maioria da população refere como impressão 3D, pois esta tecnologia é de longe a mais comum e, em muitos aspetos, a mais simples das alternativas. O FDM usa uma variedade de materiais plásticos que têm a capacidade de se fundirem e solidificarem várias vezes, para formar a peça pretendida, sendo os mais comuns acrilonitrila butadieno estireno (ABS), ácido polilático (PLA), policarbonato (PC), poliamida (PA), poliestireno (PS), lignina, borracha, entre outros como pode ser visto na Tabela 2.3 [49,50]. Tabela 2.3. Tipos de materiais para FDM. Adaptado de [51] Material Abreviatura Temperatura de fusão Descrição Policarbonato PC 155 - Resistente ao impacto -Transparente Poliamida Nylon 220 - Baixo atrito Polietileno teraflato PET 210 - Completamente reciclável 22 Acetato de polivinilo PVA 200 - Bom material de suporte - Dissolúvel em água quente Ácido poliático PLA 160 - Derivado de plantas (biodegradável) Desta forma a MA por FDM consiste num processo que envolve fundir um filamento de polímero num bico de impressão aquecido e depositar as camadas fundidas em camadas previamente depositadas ou na base de impressão. As camadas fundidas arrefecem e solidificam rapidamente, formando uma peça final com a forma desejada, criada pelo caminho percorrido pelo bico de impressão [52]. A configuração das impressoras de FMD são muito semelhantes às que se pode observar na Figura 2.8. Esta possui normalmente um suporte para o rolo de polímero, que não deve criar atrito à medida que o filamento vai sendo puxado para o bico de impressão. O filamento pode ser introduzido na câmara de aquecimento diretamente, ou através de tubos poliméricos que servem como guias para o mesmo. Na câmara de aquecimento encontram-se as resistências térmicas responsáveis por fundir o filamento e ventoinhas para promover a sua solidificação quando depositado pelo bico de impressão [39]. Esta câmara está normalmente suspensa por dois veios metálicos que permitem a sua movimentação no plano XY. Já a base de impressão tem a capacidade de se mover no eixo do Z cada vez que uma camada é finalizada [53]. Figura 2.8. Esquema de um equipamento de FDM. Adaptado de [54]. Há pelo menos outra geometria significativamente diferente para uma impressora FDM, normalmente nomeada de impressora delta, que pode ser observado na Figura 2.9. Nesse caso, a 29 Figura 2.14. Classe de equipamentos médicos fabricados por MA: (a) modelos médicos; (b) implantes; (c) ferramentas ou parte de equipamentos médicos; (d) equipamentos médicos de apoio, próteses ou guias de suporte; (e) biomanufatura. Adaptado de [82]. Figura 2.15. Fases de fabrico de equipamentos médicos por MA. Adaptado de [82]. A primeira classe está associada aos modelos médicos, onde se utiliza como base a anatomia do paciente e tem como função serem usados para treinar estudantes de medicina, planear e treinar operações, bem como facilitar a visualização espacial ao paciente. Neste caso a MA é utilizada para replicar uma parte do ser humano sendo mais comumente utilizada para materializar estruturar ósseas como a pélvis, a anca, o crânio e a coluna vertebral. Para obter o modelo a imprimir, normalmente, parte da informação espacial é fornecida por técnicas de diagnóstico, como a tomografia computadorizada (TC), MRI ou o ultrassom. A classe dos implantes refere-se ao desenvolvimento de uma parte do corpo do doente com a finalidade de repor tecido em falta ou defeituoso, sendo que esta classe também inclui aplicações dentárias. Para além disso, estudos recentes estudaram a possibilidade de integrar fármacos nos implantes para realizar a sua libertação de forma controlada [83,84]. A MA facilita a criação de implantes personalizados e tem ao seu dispor materiais biocompatíveis e com propriedades de superfície favoráveis ao crescimento celular. Contudo tendo em consideração os requisitos restritos da colocação de um dispositivo médico dentro do corpo humano, esta peças tem de passar por pós-processamento [85]. 30 A terceira classe refere-se a equipamentos que permitem a melhoria das condições operatórias e clínicas, ao utilizar ferramentas que têm dimensões e formatos específicos para o paciente em questão. Uma das grandes áreas da saúde que utiliza esta aplicação da MA é a ortodontia, para criar moldes precisos de alinhadores dentários transparentes [86,87]. Na quarta classe, as peças produzidas por MA são para utilização externas ao corpo, sendo que nela estão inseridos suportes pós-operatórios, guias de locomoção, fixadores, próteses externas e ortóteses.[88]. A biomanufatura corresponde à combinação das técnicas de MA com engenharia de tecidos. Neste caso, a peça a produzir pode ter um papel ativo na criação de tecido biológico ao afetar a especialização celular pela sua constituição geométrica, porosidade ou tipo de material [89]. Como já foi referido anteriormente estes materiais têm de ser biocompatíveis e para tal existem vários materiais cerâmicos, poliméricos ou compostos á disposição da MA [90,91]. A aplicabilidade da MA na saúde apresenta inúmeras vantagens, que ao longo deste capítulo foram sendo mencionadas brevemente, e que por causa das mesmas têm substituídos os processos convencionais de manufatura. Uma das principais razões é a possibilidade de fabricar equipamentos com dimensões personalizadas, para permitir adaptação anatomia ao paciente mas também às necessidades ergonómicas do profissional de saúde [92]. Esta personalização utilizando processos de manufatura convencional incorreria em custos elevados, enquanto ao recorrer a processos de MA a despesa é bastante diminuída [93]. Os processos de MA nesta escala conseguem ser implementados em equipamentos bastante compactos, com acesso livre a imensos designs relevantes para a área, o que facilita a acessibilidade em áreas remotas. Isto tem a potencialidade de promover os cuidados médicos em países em desenvolvimento, bem como em expedições espaciais ou militares [94]. Por último é relevante mencionar que, devido à natureza dos principais materiais utilizados na MA, é possível criar dispositivos com múltiplas funcionalidades com compatibilidade com exames de diagnóstico com MRI e com imensas opções que primam pela biocompatibilidade como é o caso do PLA e da poliamida [87]. 2.3 SUPORTES DAS ESTRUTURAS E CONSIDERAÇÕES DE DESIGN Como já foi referido, uma das grandes vantagens da MA corresponde à sua capacidade de desenvolver produtos com geometrias complexas, que de outra forma não poderiam ser produzidos por processos convencionais de manufatura. No entanto, é de salientar que tanto os processos de FDM como 31 os de MA por fotopolimerização apresentam idiossincrasias que tornam necessária a utilização de estruturas de suporte. Estas estruturas não são nada mais que colunas de material, impresso especificamente para que que na zona de contacto mantenha a integridade estrutural e adesiva da peça, contrariando o efeito danoso que a força da gravidade teria na mesma [95]. No processo de FDM a peça é criada no sentido ascendente e portanto o principal objetivo do suporte é permitir que partes da peça que se encontrem suspensas, como pontes, fiquem com o formato desejado e não se deformem ou quebrem a ligação com a camada a ser impressa. Outra razão está relacionada com questões da geometria geral da peça que possa provocar a deslocação excessiva do centro de massa da mesma em relação à base e provoque a sua movimentação durante do processo de impressão [96]. A Figura 2.20 apresenta os suportes tipicamente utilizados neste processo de fabrico. Figura 2.16. Suportes tipicamente utilizados no processo de fabrico por FDM. Adaptado de [96]. Nos processos de MA por fotopolimerização a peça é geralmente criada de forma a ficar suspensa na plataforma de impressão e portanto o papel dos suportes (Figura 2.21) são o de impedir que estruturas, que não tem contacto direto com a plataforma ou que apresentem geometrias críticas, como ângulos excessivos ou partes em suspensão, não se desprendam da peça e criem resíduos no tanque de fotopolímero [96]. Figura 2.17. Suportes tipicamente utilizados no processo de MA por fotopolimerização. Adaptado de [97]. 32 A utilização de suportes não é obrigatória, sendo muitas vezes possível alterar a posição da peça por forma a otimizar a utilização de estruturas de suporte, como se pode verificar na Figura 2.22. Isto revelase um passo não trivial do processo de impressão, visto que muitas vezes os suportes gerados automaticamente não permitem um fabrico bem-sucedido, para além que esta otimização influencia a rugosidade da superfície, o tempo de impressão e o custo [98]. Figura 2.18. Variação da necessidade de utilização de suportes com a orientação da peça. Adaptado de [96]. Quando se aborda este tipo de preocupações com os processos de MA é necessário referir outras considerações de design cruciais a um bom processo de impressão (Figura 2.23). Por exemplo, a espessura mínima recomendada de paredes suportadas para o sucesso da impressão é de 0.4 mm. Figura 2.19. Recomendações gerais de design da peça final para levar ao sucesso da impressão. Adaptado de [99]. 3 METODOLOGIA/PLANO DE TRABALHO 36 3.1 DESIGN E MÉTODOS DE FABRICO DA CÉLULA DE VAPOR A célula de vapor, tal como todos os dispositivos utilizados em aplicações biomédicas, apresenta uma série de requisitos associados ao seu correto funcionamento. Neste caso correspondem à integridade estrutural da peça em condições de temperatura elevada, permeabilidade para os comprimentos de onda de luz pretendidos e estanquicidade a gases. Em condições ótimas, pretendeu-se obter uma célula de vapor de Rb capaz de idealmente suster uma temperatura 150 °C, com permeabilidade para os comprimentos de onda de luz correspondentes à criação do vapor (254 nm) e à operacionalização da célula (795 nm). A viabilidade da implementação de materiais e métodos de MA, esteve dependente da capacidade de encontrar formas de adequar a tecnologia existente às condições ideais que se pretendeu obter, isto é, como é difícil adaptar rigorosamente as tencologias de MA aos requisitos pretendidos é necessário encontrar um compromisso entreas as varias propriedades da célula a obter. Isto teve de ser realizado sem que a alternativa de fabrico aqui explorada se tornasse um despropósito, ou seja, que a solução encontrada se revelasse mais difícil/dispendiosa de implementar com qualidade de que com os métodos convencionais. 3.1.1 ESCOLHA DOS MATERIAIS E MÉTODO DE FABRICO O processo da escolha dos métodos de fabrico e dos respetivos materiais passou principalmente pela pesquisa bibliográfica e pela consulta de fichas técnicas associadas aos vários equipamentos disponíveis. Como constatado no Capítulo 2, os métodos com mais relevância são o FDM, principalmente pela sua grande variedade de materiais de baixo custo e SLA pela capacidade de obter impressões de pequenas dimensões com alta resolução. Na técnica de FDM destacaram-se como materiais candidatos o termoplástico poliuretano (TPU) da Ultimaker e o nylon da Filkemp cujas propriedades relevantes, se podem encontrar nas Tabelas 3.1 e 3.2. Tabela 3.1. Propriedades do TPU. Adaptado de [100] Propriedade Valor Temperatura de fusão 220 °C Módulo de Young 26 MPa Temperatura de deflexão térmica (0.455 MPa) 74 °C 37 Temperatura de transição vítrea -24 °C Tabela 3.2. Propriedades do nylon . Adaptado de [101] Propriedade Valor Temperatura de fusão 210 – 220 °C Módulo de Young 1410 MPa Temperatura de deflexão térmica (0.455 MPa) 95 °C Temperatura de transição vítrea 30 °C O TPU é um material semelhante à borracha, muito flexível, o que o tornou uma forte opção para o fabrico da estrutura de suporte, onde estarão incorporadas as células de vapor. O nylon é um polímero transparente/translucido com uma grande resistência à temperatura, o que o tornou um forte candidato para a construção da célula. Ambos têm temperatura de fusão e de deflexão térmica que potenciam a criação de uma solução que ronde uma gama de operação do sensor a partir dos 74°C. Na técnica de MA por fotopolimerização as resinas disponíveis comercialmente apresentam principalmente variabilidade na pigmentação pelo que foi selecionada uma resina transparente cuja ficha técnica se encontra na Tabela 3.3. Tabela 3.3. Propriedades da resina. Adaptado de [102] Propriedade Valor Módulo de Young 1200-1600 MPa Temperatura de deflexão térmica (0.455 MPa) 65-70 °C Comprimento de onda (nm) 405 Os equipamentos de MA utilizados no fabrico das células de vapor foram a Ultimaker S3 e a Anycubic photon mono 4k , apresentados na Figura 3.1. 38 Figura 3.1. Equipamentos de MA utilizados no fabrico das células de vapor: a) Ultimaker S3 ; b) Anycubic photon mono 4k. Adaptado de [103][104]. A Ultimaker S3 e os materiais que lhe são compatíveis constituíram a primeira solução apresentada devido à facilidade logística de acesso ao equipamento, bem como nas características operacionais da impressora. Este equipamento permite a execução de impressões com dois materiais que alternam entre si no processo de fabrico, o que permitiu a exploração da criação de um complexo TPU-nylon, bem como estudar as capacidades de aderência dos dois materiais. A Anycubic photon mono 4k surgiu como método alternativo de forma a explorar outros materiais e obter impressões com maior resolução. A resolução da Ultimaker S3 em XY está dependente da espessura do filamento extrudido pelo bico de impressão que neste caso corresponde a 0.4 mm, já a resolução em z corresponde a 0.1mm. A Anycubic photon mono 4k tem 35 µm de resolução no plano XY e de 10 µm em Z. 3.1.2 DESIGN E DISTRIBUIÇÃO MATRICIAL Tendo em conta as condicionantes do processo de fabrico, bem como as necessidades operacionais da célula, procedeu-se à realização de várias iterações da célula e da estrutura de suporte. No que toca ao design da célula, a estrutura inicial consiste num cubo oco com dimensões de 10 mm X 10 mm X 10 mm com espessura de parede de 0.40 mm como pode ser visto na Figura 3.2. As dimensões apresentadas constituíram numa solução macroscópica da célula com espessura capaz de ser a) b) 39 reproduzida por ambos os métodos de fabrico, em nylon e resina, para evitar variabilidade de resultados. O principal requisito de design nas várias iterações foi a garantia da máxima transparência e da qualidade de impressão nas faces correspondentes ao caminho ótico. Figura 3.2. Design inicial da célula de vapor. Relativamente à estrutura de suporte das células de vapor, tendo em conta que o objetivo final consistiu numa matriz de várias células de vapor iguais, realizaram-se várias iterações a partir de uma disposição matricial em TPU como pode ser visualizado na Figura 3.3, para servir de base à criação da estrutura idealizada na Figura 3.4. Figura 3.3. Estrutura matricial da disposição das células de vapor. 40 Figura 3.4. Protótipo da estrutura de adaptação da matriz de células de vapor à cabeça humana. 3.2 PRODUÇÃO DE VAPOR DE RUBÍDIO O Rb é um metal alcalino que no seu estado gasoso consegue ser operacionalizado para detetar variações de campos magnéticos em condições já definidas em capítulos anteriores. Os isótopos 85Rb e 87Rb têm graus diferentes de eficácia sendo que o último apresenta um regime SERF mais propício à função desejada [105]. O 87Rb pode ser obtido pela azida de rubídio (RbN3) através da realização sequencial de duas reações. A primeira passou pela utilização de soluções de nitrato de prata (AgNO3) e azida de sódio (NaN3), com o objetivo de se obter azida de Prata (AgN3) e nitrato de sódio (NaNO3), como se pode verificar na equação 3.1. Atendendo à estequiometria da equação de 1:1 e fazendo a relação das massas dos componentes, determina-se que para obter 0,06 g (60 mg) de AgN3, são necessários 68 mg de AgNO3 e 26 mg de NaN3. Estes valores correspondem aos valores teóricos obtido com base nos dados da Tabela 3.4, contudo no contexto laboratorial a reação não têm 100% de rendimento e foi necessário utilizar quantidades superiores de reagentes. Tabela 3.4. Massa molar dos compostos da reação 3.1 Componente químico Massa Molar (g/mol) AgNO3 169,87 NaN3 65,01 AgN3 149,89 𝐴𝑔𝑁𝑂3 (𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑁3 (𝑎𝑞) → 𝐴𝑔𝑁3 (𝑠) + 𝑁𝑎𝑁𝑂3 (𝑎𝑞) (3.1) 47 Figura 3.12. Polimerização de MMA. Adaptado de [108]. A Figura 3.13 e a Figura 3.14 mostram o processo de sintetização do PMMA, tal como a sua aplicação às amostras. Inicialmente dissolveu-se 0.07g de AIBN em 50 ml de MMA por forma a iniciar a sua pré-polimerização e aqueceu-se a solução em banho-maria a 70 °C durante 25 min. De seguida, após alguma mudança de viscosidade da solução, colocou-se a mesma no congelador para interromper o processo de polimerização que termina depois de revestidas as amostras. Após 2 horas, a solução foi retirada do congelador. Com o aumento da viscosidade da solução o risco de aprisionar gases provenientes do ar e da reação aumenta, o que pode criar bolhas e defeitos no revestimento. Dessa forma a solução foi colocada numa câmara de vácuo para remover estes gases, antes da polimerização se finalizar sobre das amostras. Por fim, cada amostra foi revestida com uma fina camada de PMMA, com o auxílio de uma espátula, e colocada sobre uma placa de aquecimento a 70 °C durante 5 min para finalizar a polimerização do PMMA. Figura 3.13. Método de preparação da solução de PMMA. 48 Figura 3.14. Método de aplicação do PMMA às amostras. 3.4.1 ESTUDO DA TRANSMITÂNCIA Como mencionado anteriormente, um dos requerimentos da célula consiste em garantir que o comprimento de onda de operação do sensor, 795 nm, tem a capacidade de atravessar as paredes da célula. Desta forma utilizou-se uma montagem experimental com um espectrofotómetro, de modo a caraterizar os materiais e revestimentos utilizados, relativamente às suas propriedades óticas, mais concretamente à transmitância. A Figura 3.15 mostra a montagem experimental utilizada na medição da transmitância das amostras. Nesta montagem, uma fonte de luz emite um feixe luminoso que é filtrado num monocromador consoante o comprimento de onda desejado. Este componente da montagem é responsável por definir a amostragem ao abrir e fechar a lente à saída do mesmo. De seguida, o feixe resultante passa por uma fibra ótica até à amostra de teste, onde será atenuado à passagem e cuja intensidade de saída será medida sobre a forma de um valor de corrente no fotodetetor. Figura 3.15. Montagem experimental de espectrometria. No que toca às condições de teste, foi necessário criar estruturas capazes de simular a passagem da luz por uma ou duas paredes como podem ser observadas na Figura 3.16 a) e b). A atenuação do feixe luminoso à passagem por uma parede permite obter dados simples sobre as características do 49 material e dos revestimentos enquanto a passagem por duas paredes simula o caminho percorrido pelo feixe numa célula de vapor em funcionamento. Figura 3.16. Estrutura de suporte para o estudo de transmitância: a) teste com uma parede; b) teste com duas paredes. Na preparação das amostras foram realizadas impressões de placas de 1 cm2 com 0,41 mm de espessura e nylon e de resina, revestidas com os diferentes revestimentos abordados anteriormente, como pode ser visualizado na Figura 3.17. O silicato de sódio foi apenas utilizado numa instância inicial e, por razões que serão desenvolvidas no capítulo seguinte, não fez parte das permutações com alumina e acrílico. Outro fator relevante na montagem e na preparação das amostras corresponde ao cuidado a ter com a posição relativa da alumina na camada visto que para servir o seu propósito, esta tem que se encontrar na parte interior da parede da célula. Figura 3.17. Diferentes variantes das amostras revestidas com os vários revestimentos: a) resina/ nylon ; b) resina/ nylon – silicato de sódio; c) resina – acrílico; d) acrílico – resina – acrílico; e) acrílico – resina – alumina; f) acrílico – resina – acrílico – alumina; g) resina – alumina. 50 3.4.2 ESTUDO DA POLARIZAÇÃO A combinação de forças elétricas e magnéticas que percorrem o espaço é conhecida como radiação eletromagnética. Esta radiação é composta por variações do seu campo magnético e elétrico que são perpendiculares entre si, com uma direção de deslocamento perpendicular a ambos, como é possível ver na Figura 3.18 [109]. Figura 3.18. Onda eletromagnética. Adaptado de [110]. Cada fotão num feixe de luz pode ser caraterizado por estes dois componentes, no entanto a radiação que ocorre no universo é composta por vários fotões a vibrar em variados planos. A esta radiação dá-se o nome de luz não polarizada. A luz polarizada corresponde a um feixe de luz que foi manipulado para que os seus planos de vibração estejam circunscritos a uma orientação definida. Os tês tipos de polarização são a polarização linear, onde o campo elétrico está confinado a um único plano; a polarização elíptica, em que o campo elétrico propaga-se ao longo de uma trajetória elíptica e os dois componentes do campo elétrico não têm a mesma amplitude e diferença de fase; e finalmente a polarização circular onde, as duas componentes do campo elétrico têm amplitudes idênticas, mas a diferença de fase é 𝜋 2, neste caso o campo elétrico propaga-se num movimento circular. Na Figura 3.19 estão representados os três tipos de polarização da luz [111]. Figura 3.19. Tipos de polarização da luz. Adaptado de [112]. 51 Como referido em anteriormente, a operacionalização da célula necessita de garantir que luz polarizada de 795 nm não despolariza à passagem pelas paredes da célula. Por forma a estabelecer resultados preliminares de despolarização de luz utilizou-se o princípio demonstrado na Figura 3.20, onde dois polarizadores lineares dispostos paralelamente com rotação de 90° impedem a passagem de luz. Figura 3.20. Efeito de dois polarizadores lineares na intensidade da luz. Adaptado[113]. Neste tipo de montagem a amostra foi colocada entre os dois polarizadores e o teste foi executado utilizando a disposição demonstrada anteriormente na Figura 3.15 adaptando as estruturas de suporte, como é possível observar na Figura 3.21. Figura 3.21. Adaptação da montagem da Figura 3-16 a) para avaliação da despolarização. 52 A magnitude da despolarização causada pela amostra foi avaliada consoante a intensidade da luz à saída da montagem. No capítulo seguinte é explicado em detalhe o significado dos dados recolhidos bem como o seu tratamento gráfico. 3.5 ESTUDO DA ESTANQUICIDADE DA CÉLULA O último critério de qualidade da célula de vapor corresponde à sua habilidade de manter o vapor confinado, bem como impedir a entrada de gases do ambiente para o seu interior. Os polímeros, e consequentemente as estruturas que com eles são contruídas, têm elevada porosidade, portanto antes de determinar a velocidade de difusão do gás pelas paredes da célula é necessário garantir que não ocorrem fugas quando aplicada pressão positiva dentro da mesma. A avaliação deste parâmetro foi realizado com recurso a uma seringa com ar, cuja ponta se encontrava dentro da célula e vedada do exterior. Durante a pressão do êmbolo da seringa, a célula encontra-se de baixo de água, tornando visível a fuga de gás sobre a forma de bolhas. Este procedimento é demonstrado pelo esquema da Figura 3.22. Figura 3.22. Método utilizado nos testes de estanquicidade. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 54 4.1 OTIMIZAÇÃO DOS PROCESSOS DE IMPRESSÃO A correta utilização dos materiais selecionados depende da agilização de técnicas e parâmetros de impressão que potenciem a máxima qualidade superficial das peças. Cada material apresenta desafios específicos relacionados com as suas características físicas e químicas e do processo de impressão empregue. Este processo de otimização está assente na execução de várias iterações das peças pretendidas, modificando o seu design e parâmetros de impressão, como a temperatura de extrusão, temperatura da cama de impressão, velocidade de impressão, taxa de fluxo da extrusora entre outras. 4.1.1 NYLON O principal desafio da impressão em nylon em FDM está relacionado com a transparência. Nas primeiras iterações testadas as células obtidas tinham má qualidade superficial e apresentavam um grau muito baixo de transparência, como se pode ver na Figura 4.1 a). Para obter uma célula com qualidade aceitável foi preciso compreender a interferência da humidade ambiente no filamento de nylon , bem como modificar parâmetros, que ao longo das iterações se revelaram pertinentes. Este filamento tem uma propensão muito grande para absorver humidade, pelo que foi necessário submeter o filamento a uma temperatura de 100 °C por cerca de 4 horas, por forma a garantir a completa remoção da água do seu interior. A Figura 4.1 b) mostra uma célula otimizada quanto às suas condições e parâmetros de impressão. Estudou-se os efeitos principalmente da velocidade de impressão e da temperatura de extrusão, tendo sido selecionados os valores ótimos de 30 mm/s e 235 °C, respetivamente. Figura 4.1. Resultado da otimização dos parâmetros de impressão do nylon : a) célula não otimizada; b) célula otimizada. 55 Os designs associados à impressão em nylon sofreram alterações de forma a solucionar principalmente a problemática associada à execução de partes que se encontrem em suspensão, como é o caso da face superior da célula. A Figura 4.2 demonstra o resultado de uma das iterações, onde claramente a face superior se encontra repleta de defeitos, inutilizando a célula. Uma possível solução passaria pela utilização de suportes e colocação da célula numa pequena inclinação durante a impressão, como se pode ver na Figura 4.3. Figura 4.2. Falhas na face superior da célula. Figura 4.3. Utilização de suportes e colocação da célula numa pequena inclinação durante a impressão para melhorar os defeitos da face superior da célula: a) vista geral; b) vista em corte dos suportes interiores. Apesar de solucionar o problema, os pontos de fixação dos suportes comprometeram a qualidade superficial da face inferior da célula, uma vez que a face inferior deixou de estar em contacto direto com a cama de impressão. O contacto direto com a cama de impressão garantiu uma boa transparência das primeiras camadas impressas (face inferior da célula), como observado na Figura 4.4. 56 Figura 4.4. Qualidade superficial da face inferior da célula quando impressa diretamente sobre a cama de impressão. Outra opção explorada consistiu na utilização do design apresentado na Figura 4.5, onde a face superior da célula foi construída em formato piramidal. Com esta solução a área do caminho ótico foi reduzida, mas garantiu uma estreita banda com 0.40 mm de espessura no vértice da pirâmide, por onde o feixe de luz pode atravessar. Figura 4.5. Célula com a face superior em formato piramidal: a) modelo 3D; b) célula impressa. Numa iteração mais otimizada deste paradigma, a face superior da célula tornou-se totalmente piramidal (Figura 4.6), poupando material e garantindo uma espessura de 0,40 mm por toda a face superior da célula. Figura 4.6. Célula impressa sob a forma de uma pirâmide: a) modelo 3D; b) célula impressa. 63 4.2.1 NYLON VS. RESINA A primeira etapa da triagem consistiu em avaliar qual dos materiais candidatos, nylon e resina, melhor se adequava à aplicação desejada. A Figura 4.17 mostra a transmitância em função do comprimento de onda de luz incidente para o nylon e resina aquando da passagem do feixe de luz por uma ou duas amostras espaçada entre si, por forma a simular a distância das paredes de uma célula. A 795 nm, o nylon apresenta uma transmitância de 77.6% para uma parede e 17.2% para duas paredes enquanto a resina apresenta uma transmitância de 93.9% para uma parede e 71.1% para duas paredes. Ambos os materiais apresentam uma boa transmitância quando se efetua a passagem do feixe de luz por uma parede, contudo a queda de transmitância é muito mais acentuada no nylon do que na resina quando o feixe de luz atravessa duas paredes. Esta diferença pode estar relacionada com a fraca qualidade da superfície em impressões com nylon que consequente aumenta os fenómenos de absorção, difração e refração da luz, impedindo a passagem ininterrupta do feixe de luz por duas paredes do mesmo material. A diferença de transmitância entre os dois materiais é tao distinta que não pode ser atribuída a erros de impressão e de montagem. A resina, em contrapartida, tem um acabamento superficial de melhor qualidade e apesar da diminuição de transmitância à passagem por duas paredes, esta ainda consegue ter valores razoáveis. A validação do que corresponde a um valor de transmitância razoável teria de ser executado já com o sensor em funcionamento e com obtenção de sinal que não foi possível realizar neste projeto. Figura 4.17. Transmitância em função do comprimento de onde de luz para uma ou duas paredes de nylon ou resina. 64 4.2.2 EFEITO DOS REVESTIMENTOS NA TRANSMITÂNCIA Após a seleção da resina como material que iria constituir a célula de vapor final, o passo seguinte correspondeu à elaboração de testes por forma a discernir que revestimentos se revelariam pertinentes de utilizar, por forma a potenciar a transmitância do material a possivelmente diminuir a sua porosidade. Foram elaboradas combinações dos revestimentos de silicato de sódio, alumina e acrílico de acordo com a Figura 3.17. 4.2.2.1 SILICATO DE SÓDIO A Figura 4.18 apresenta a transmitância em função do comprimento de onda de luz para a resina revestida com Silicato de sódio (variante b)) da Figura 3.17 aquando da passagem do feixe de luz por uma ou duas paredes e a sua comparação com as mesmas condições para resina não revestida (variante a)) da Figura 3.17. Este gráfico demonstra claramente que, para todos os comprimentos de onda estudados, a transmitância é maior quando o feixe de luz passa por apenas uma parede. Esse fenómeno é coerente com o esperado, pois a passagem por duas paredes acarreta a ocorrência de mais fenómenos óticos que comprometem a intensidade e a direção do feixe de luz. Para o valor de comprimento de onda de 795 nm, a resina não revestida tem uma transmitância de 93,9% quando o feixe de luz passa por uma parede e 71.1% quando passa por duas paredes. Os valores de transmitância para os testes com revestimento de Silicato de sódio são 91% e 63,7% quando o feixe de luz passa respetivamente por uma ou duas paredes. A diminuição da transmitância que ocorre ao revestir com Silicato de sódio pode significar que, apesar de aumentar a transparência da célula, a espessura e a transmitância da camada de revestimento podem aumentar a existência de fenómenos óticos indesejados. Porém, a diminuição ocorrida não é drástica e ainda é possível perspetivar este revestimento com a finalidade de selar a célula. 65 Figura 4.18. Transmitância da resina aquando da passagem do feixe de luz por uma ou duas paredes das variantes a) e b). Depois de obtidos estes resultados seria de esperar que este revestimento fosse permutado com acrílico e alumina, para obter todas as possibilidades de estudo e realizar uma comparação mais completa. No entanto isso não se verificou visto que o silicato de sódio e o acrílico são dois materiais com o mesmo propósito de selar e melhorar transmitância. Utilizar simultaneamente os dois materiais só iria aumentar a espessura da parede e provocar o efeito contrário. Seguindo este raciocínio, fazia sentido testar apenas revestimentos de Silicato de sódio com alumina, no entanto a camada de Silicato de sódio aplicada às amostras tronou-se branca e quebradiça passada cerca de uma semana da sua aplicação (Figura 4.19). Seria necessário encontrar uma forma de impedir este fenómeno, para ponderar a sua utilização no futuro. Figura 4.19. Resultado da aplicação prolongada do revestimento de silicato de sódio. 4.2.2.2 ACRÍLICO E ALUMINA Além do Silicato de sódio foram também estudados o acrílico e a alumina como revestimentos bem como a combinação ótima destes dois materiais. 66 A Figura 4.20 consiste na representação gráfica da relação entre o comprimento de onda do feixe de luz incidente e a transmitância da resina revestida com acrílico de acordo com as variante c) e d), aquando da passagem do feixe de luz por uma parede e a comparação com resina não revestida (variante a), nas mesmas condições. É de notar que na variante c) o feixe de luz atravessa primeiro a camada de acrílico e só posteriormente a resina. Para 795 nm, a transmitância foi de 88.6% para a amostra c), de 88.1% para a amostra a) e de 86.5% para a amostra d). Figura 4.20. Transmitância da resina aquando da passagem do feixe por uma parede das variantes a), c) e d). Quando se trata de analisar este caso, onde o feixe apenas atravessa uma parede, torna-se claro a influência da espessura total da amostra na transmitância, visto que a amostra d), por conter dois revestimentos de acrílico, tem um pior desempenho comparativamente com as amostras a) e c). A amostra c), contento apenas um revestimento de acrílico, consegue melhorar ligeiramente a transmitância, devido ao facto de preencher irregularidades da superfície da resina, o que diminui a dispersão da luz apesar do aumento da espessura. Esta interferência clara da espessura da amostra na transmitância não foi reproduzível quando se fez o mesmo estudo com a passagem do feixe em duas paredes, visto que se tornou possível variar a sequência das interfaces atravessadas pelo feixe. Desta vez foi necessário criar duas alternativas de conformação para a amostra c como descrito na Figura 4.21. Nesta figura é possível observar a relação entre o comprimento de onda do feixe de luz incidente e a transmitância da resina revestida com acrílico de acordo com a variante c), c)’ e d) aquando da passagem do feixe por duas paredes e a comparação com resina não revestida (variante a), nas mesmas condições. Para 795 nm, a transmitância foi de 67 70.0% para a amostra c)’, de 69.6% para a amostra d), de 49.7% para a amostra a) e de 40.1% para a amostra c). Figura 4.21. Transmitância da resina aquando da passagem do feixe de luz por duas paredes das variantes a), c), c)’ e d). Tendo em conta os resultados da Figura 4.18 era expectável uma redução da transmitância para duas paredes de material, causada pelo aumento de material atravessado e da dispersão de luz que ocorre entre as paredes. Observa-se uma inversão na ordem da transmitância das amostras visto que na Figura 4.21 a Td)>Ta)>Tc) enquanto na Figura 4.20 a Tc)>Ta)>Td). Na análise dos gráficos deste projeto é preciso ter presente que a variação da transmitância entre os testes com uma e duas paredes está dependente do peso das diferentes contribuições que o revestimento pode causar, ou seja, a melhoria da qualidade superficial e/ou aumento de material da amostra. As mudanças de posição relativa entre Tc e Td podem estar relacionadas com estas diferentes contribuições. Na Figura 4.20 a contribuição predominante foi a do aumento da espessura de material e por isso é que Td<Tc, visto que a diminuição de dispersão de luz, causada pela existência de mais uma camada de acrílico em d), não foi superior à absorção causada pela mesma. Na Figura 4.21 a dispersão de luz é maior em c) na primeira parede, diminuído bastante a intensidade luminosa que chega ao fotodetetor, já a amostra d) ao melhorar a qualidade superficial, quer interna quer externa, a dispersão de luz na duas paredes é mais reduzida que c) e que a), apesar de uma maior espessura. 68 A transmitância da amostra c)’ revela-se bastante interessante ao apresentar valores semelhantes à amostra d) e radicalmente diferentes da amostra c) que corresponde à mesma composição de materiais. A mudança da ordem das interfaces entre as duas amostras provoca este efeito, favorecendo a melhoria da qualidade superficial causada pelo revestimento de acrílico apenas nas partes externas da parede. Após verificar a influência do revestimento de resina com acrílico, estudou-se os efeitos da aplicação de um filme de alumina na parte interna da amostra. A Figura 4.22 apresenta a relação entre o comprimento de onda do feixe de luz incidente e a transmitância da resina revestida com alumina aquando da passagem do feixe por uma ou duas paredes e a sua comparação com as mesmas condições para resina não revestida. É possível verificar que os valores de transmitância a 795 nm, para as amostras com alumina são de 92.1% e 64.5% para a passagem por uma ou duas paredes respetivamente, já para a resina não revestida os resultados são idênticos aos observados na Figura 4.20 e na Figura 4.21. Figura 4.22: Transmitância da resina aquando da passagem do feixe de luz por uma ou duas paredes nas variantes a) e g). Nas duas variantes de teste a alumina melhora o desempenho da resina, resultado da melhoria da qualidade superficial da parede onde está depositada. O último passo consistiu em analisar a influência da combinação de alumina e acrílico. A Figura 4.23 apresenta a relação entre o comprimento de onda do feixe de luz incidente e a transmitância da resina revestida com acrílico e alumina de acordo com as variantes e) e f), aquando da passagem do feixe por duas paredes e a comparação com resina não revestida, a). Os valores de transmitância a 795 nm das amostras e) e f) são de 68.3% e 60.8%, respetivamente, já para a resina não revestida os resultados são idênticos aos observados na Figura 4.21. 69 Figura 4.23. Transmitância da resina aquando da passagem do feixe de luz por duas paredes nas variantes a), e) e f). Ao comparar os resultados obtidos é notória a melhoria do desempenho das amostras g) e e) em relação à resina não revestida. Estes resultados são expectáveis devido à diminuição das irregularidades de superfície causada pelos revestimentos de alumina e acrílico, no entanto também é notável que a existência de duas camadas de acrílico em f) afeta negativamente a transmitância, quando comparado com e). A amostra f), ao ter maior espessura, diminui a transmitância do feixe de luz, por via de uma maior absorção. O principal objetivo da análise de todos os gráficos supracitados consistiu em decidir qual a combinação de revestimentos que proporcionaria a melhor transmissibilidade à célula de vapor que se pretendeu construir. Foi necessário compilar a informação obtida de forma a obter uma representação gráfica que permitisse facilitar uma análise qualitativa dos resultados e escolher o revestimento a usar. A Figura 4.24 representa a compilação da relação entre o comprimento de onda do feixe de luz incidente e a transmitância aquando da passagem do feixe por duas paredes das Figuras 4.21, 4.22 e 4.23. Este gráfico permite visualizar comparativamente todas as permutações de revestimentos estudadas anteriormente e compara-las entre si. No entanto tendo em conta a dificuldade da garantia da total uniformidade das amostras, bem como dos métodos de revestimento de acrílico, estes resultados não podem ser analisados de uma forma quantitativa e apenas podem servir como base para testes futuros. As diferenças de desempenho observadas podem ser utilizadas como forma de preliminarmente escolher a combinação ótima de revestimentos mas carecem de mais testes e de um ambiente mais controlado relativamente às condições iniciais da amostra e da montagem. f) e) a) 70 Figura 4.24: Transmitância da resina aquando da passagem do feixe de luz por duas paredes nas variantes observadas nas Figuras 21, 22 e 23. A transmitância para 795 nm é superior à resina não revestida, para todas a permutações com acrílico e alumina expecto para a amostra c) por razões já mencionadas. As variantes que apresentaram melhor desempenho foram as de e) a d) e a c’ pois correspondem ao melhor equilibro entre a grossura da camada e a melhoria da qualidade superficial. No ponto de vista conceptual, o revestimento que melhor se adequaria à célula, seria uma combinação de acrílico no exterior para diminuir a difusão da luz e alumina no interior, para promover a estanquicidade da célula e aumentar o tempo de vida da célula. As amostras d) e c)’ não contêm alumina e apresentam transmitância semelhante a e), que corresponde á disposição ótima conceptualmente, desta forma constata-se que para futuros testes com a célula de vapor a combinação de revestimento utilizada será equivalente a esta amostra. 4.3 ESTUDO DA POLARIZAÇÃO A manutenção da polarização da luz consistiu num critério bastante importante na adequação da célula de vapor à medição de campos magnéticos, considerando a necessidade de utilizar um feixe de luz circularmente polarizado de 795 nm. A montagem ilustrada no capítulo anterior permite obter informações preliminares relativamente à despolarização, que pode ocorrer à passagem pelas amostras com as diversas conformações já mencionadas. O tratamento dos dados foi feito por forma a que fosse possível extrair alguma informação útil relativamente à perspetiva de despolarização das várias amostras, fazendo a mesma amostragem que a experiência anterior no subcapítulo 4.2. Como linha de referência extraiu-se o valor de corrente obtido 71 aquando da passagem do feixe luz pelos dois polarizador dispostos com rotações de 90°. Idealmente este valor seria 0 mas foi necessário considerar a existência de luz residual no local de teste, bem como a não idealidade dos polarizadores. Esta linha de referência corresponde ao valor mínimo que a intensidade do feixe de luz pode ter para cada comprimento de onda. O grau de despolarização foi medido como o aumento de intensidade do feixe à saída da montagem em relação a esta linha de referência. O próximo passo consistiu em colocar cada amostra de teste entre os dois polarizadores e medir a o valor de corrente obtido nestas condições. Seria falacioso pensar que bastaria dividir este valor pelo valor da referência para obter a magnitude de despolarização provocada pela amostra, consequente do aumento da intensidade do feixe de luz à saída. A representação correta da magnitude da despolarização fica dependente de discernir qual a porção da diferença entre intensidade da luz da referência e as amostras, que corresponde a fenómenos de despolarização e não outros fenómenos alheios à experiência. Como já constatado no subcapítulo anterior, o feixe de luz, ao passar pelas amostras, sofreu atenuações o que nesta experiência interfere nos resultados quando conjugado com o papel atenuador dos polarizadores. É necessário normalizar os resultados de acordo com a atenuação característica de cada amostra para assim qualquer valor medido no fotodetetor seja fruto de fenómenos de despolarização. Neste sentido a linha de referência medida com apenas os dois polarizadores torna-se irrelevante visto que é necessário uniformizar os resultados desta experiência com a experiência do subcapítulo 4.2 usando a mesma referência. A Figura 4.25 mostra que nesta experiência a intensidade do feixe de luz à saída, medida pelo fotodetetor (IF), corresponde à soma da componente intensidade do feixe resultante dos testes de transmitância (IT) e da componente resultante somente da despolarização provocada pela amostra (ID). Desta forma IF pode ser maior que o valor registado apenas com a presença dos polarizadores IR, dependendo da contribuição de cada componente. 72 Figura 4.25. Esquema das contribuições para a intensidade do feixe de luz: a) luz residual que resulta da passagem por dois polarizadores; b) luz resultante da passagem pela amostra; c) luz que resulta da despolarização e da transmitância da amostra. A equação 4.1 demonstra que para obter valores de transmitância que correspondessem apenas à componente de despolarização (TD) é necessário dividir o valor de corrente obtido para cada amostra nesta experiencia (IFX) e dividir pelo valor de transmitância obtido no subcapítulo anterior (TX). 𝑇𝐷=𝐼𝐹𝑥 ∗100 𝑇𝑥 (4.1) A Figura 4.26 representa a magnitude da despolarização para cada amostra testada. Para 795 nm, a despolarização das amostras a), c), d), e), f) e g) foi de 2.36%, 2.98%, 3.54%, 3.72%, 3.85%, 2.91%, respetivamente. Figura 4.26. Despolarização das amostras a), c), d), e), f) e g) sob a forma de transmitância medida. REFERÊNCIAS 80 [1] A.P. Alivisatos, M. Chun, G.M. Church, K. Deisseroth, J.P. Donoghue, R.J. Greenspan, P.L. McEuen, M.L. 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