یک حسگر ارزان قیمت از نانولوله‌های کربنی برای استفاده در صنایع مختلف!

به گزارش مجله خبری نگار/ایسکانیوز؛ اکسیژن برای زندگی ضروری است و در بسیاری از فرآیند‌های شیمیایی نقش فعالی دارد. بر این اساس، روش‌هایی که اکسیژن را به‌طور دقیق اندازه‌گیری می‌کنند برای کاربرد‌های صنعتی و پزشکی متعددی مرتبط هستند. آنها گاز‌های خروجی حاصل از احتراق را تجزیه و تحلیل می‌کنند، پردازش بدون اکسیژن غذا و دارو‌ها را امکان‌پذیر می‌سازند، محتوای اکسیژن هوایی که تنفس می‌کنیم یا اشباع اکسیژن در خون را کنترل می‌کنند. آنالیز اکسیژن نیز نقش مهمی را در پایش محیطی ایفا می‌کند.

«ماته بزدک» پروفسور شیمی موسسه فناوری فدرال زوریخ یا ETH می‌گوید: چنین اندازه‌گیری‌هایی معمولاً به دستگاه‌های حجیم، پرقدرت و گران‌قیمتی نیاز دارند که برای برنامه‌های تلفن همراه یا استفاده مداوم در فضای باز مناسب نیستند. از این رو، گروه او از روش‌های طراحی مولکولی برای یافتن حسگر‌های جدید برای گاز‌های محیطی استفاده می‌کند.

حسگر این محققان می‌تواند اکسیژن را در مخلوط‌های پیچیده گازی به طور دقیق تشخیص دهد و همچنین دارای خواص مربوطه برای استفاده در این زمینه است.

یک همه‌کاره سازش ناپذیر

«لیونل وتشتین»، دانشجوی دکترا در گروه بزدک و اولین نویسنده این مطالعه، توضیح می‌دهد: روش‌های اندازه‌گیری مرسوم اغلب حساسیت بالا را به قیمت سایر معیار‌ها به خطر می‌اندازند. به عنوان مثال، سنسور‌هایی وجود دارند که نسبت به اکسیژن واکنش بسیار حساسی نشان می‌دهند، اما انرژی زیادی مصرف می‌کنند و توسط عوامل محیطی مانند رطوبت مختل می‌شوند. برخی دیگر نسبت به گاز‌های مزاحم حساس هستند، اما حساسیت آنها در حد کافی زیاد نیست و به سرعت از بین می‌روند. دستگاه‌های ثابت، نمونه‌های پیچیده و هزینه‌های بالا نیز کاربرد‌های احتمالی را محدود می‌کنند.

از سوی دیگر، حسگر جدید یک ابزار همه جانبه عملی است: بسیار حساس است، می‌تواند مولکول‌های اکسیژن را در میان میلیون‌ها ذره گاز تشخیص دهد و این کار را حتی در غلظت‌های بالاتر به طور قابل اعتماد انجام می‌دهد. همچنین دست محققان برای استفاده از آن باز است و حق انتخاب دارند، یعنی رطوبت و سایر گاز‌های مزاحم را تحمل می‌کند و عمر طولانی دارد و در نهایت، کوچک، در عین حال ارزان، آسان برای استفاده و مصرف انرژی بسیار کمی است.

این حسگر کوچک در اندازه‌گیری‌های بی‌درنگ نیز کاربرد دارد؛ به عنوان مثال برای تجزیه و تحلیل دود اگزوز خودرو یا تشخیص زودهنگام مواد غذایی فاسد. این آشکارساز همچنین برای نظارت مستمر دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و خاک‌ها با استفاده از شبکه‌های حسگر توزیع شده مناسب است. به گفته محققان، محتوای اکسیژن در این اکوسیستم‌ها یک شاخص مهم برای سلامت اکولوژیکی است.

سنجش مولکول‌ها با نانولوله‌ها

گروه بزدک به منظور دستیابی به خواص مورد نظر، به طور خاص این سنسور را از اجزای مولکولی طراحی کردند. به این شکل که مدار‌های الکتریکی کوچک با یک ماده حسگر فعال هستند که مستقیماً با مولکول مورد تجزیه و تحلیل تعامل می‌کنند و در نتیجه مقاومت الکتریکی آن را تغییر می‌دهند. مزیت بزرگ حسگر مذکور این است که می‌تواند سیگنال‌ها را به راحتی اندازه‌گیری کند.

محققان ترکیبی از دی‌اکسید تیتانیوم و نانولوله‌های کربنی را به عنوان پایه مواد حسگر انتخاب کردند. دی‌اکسید تیتانیوم را می‌توان به عنوان یک مقاومت شیمیایی استفاده کرد، اما این عیب را دارد که معمولاً فقط در دما‌های بسیار بالا کار می‌کند. به همین دلیل، محققان نانولوله‌های کربنی را در مواد کامپوزیت ادغام کردند.

نانولوله‌ها به شکلی طراحی شده‌اند که باعث می‌شوند واکنش حسگر در دمای اتاق انجام می‌شود و نیازی به گرمایش نداشته باشد. در نهایت، برای اطمینان از اینکه ماده حسگر می‌تواند به طور قابل اعتمادی از گاز‌های دیگر اکسیژن متمایز شود، تیم از سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ الهام گرفت که در آن مولکول‌های رنگی خاصی به نام حساس کننده نور، انرژی نور را جمع آوری کرده و به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند.

محققان این اصل عملکردی را به حسگر خود منتقل کرده‌اند: در حضور نور سبز، حساس‌کننده نور الکترون‌ها را به ماده مرکب ساخته شده از دی اکسید تیتانیوم و نانولوله‌ها منتقل می‌کند. این ماده را فعال می‌کند و آن را به طور خاص به اکسیژن حساس می‌کند. در نتیجه، برخلاف سایر گازها، اکسیژن مانع از انتقال بار در حسگر فعال می‌شود.

از آزمایشگاه تا کاربرد میدانی

محققان قبلاً یک درخواست ثبت اختراع برای این حسگر ارائه کرده‌اند و اکنون به دنبال شرکای صنعتی برای توسعه بیشتر این فناوری هستند. تخمین زده می‌شود که حسگر‌های بادوام و قابل اعتمادی که به طور خاص اکسیژن را در مخلوط‌های گازی اندازه گیری می‌کنند، حجم بازار سالانه تقریباً ۱/۴ میلیارد دلار آمریکا داشته باشند.

این تیم در حال حاضر روی گسترش مفهوم حسگر خود فراتر از اکسیژن کار می‌کند تا گاز‌های محیطی دیگری را شامل شود که نقش اکولوژیکی مهمی ایفا می‌کنند.

بزدک می‌گوید: ماده حسگر ما ساختاری مدولار دارد و سعی داریم بررسی کنیم که چگونه تغییر ترکیب شیمیایی آن می‌تواند تشخیص مولکول‌های هدف دیگر را امکان‌پذیر کند.

یکی از موضوعات جاری در گروه او، شناسایی آلاینده‌های مبتنی بر نیتروژن است که منجر به کوددهی بیش از حد در کشاورزی و آلودگی خاک و آب می‌شود. بزدک می‌گوید: برای کاهش ردپای اکولوژیکی بخش کشاورزی، ما به حسگر‌هایی نیاز داریم که کوددهی دقیق مزارع را امکان‌پذیر می‌کند.