نانوحسگرهای[1] تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد[2]
- فناوریهای همگرا[1]
از ابتدای قرن 21 تلاشهای دانشمندان و محققان برای متحد ساختن علوم مختلف شروع شد، این جهتگیری درنهایت منجر به اتحاد فناوری نانو[2]، فناوریهای زیستی[3]، فناوری اطلاعات[4] و علوم شناختی[5] شد که تحت عنوان علوم همگرا[6] (اِنبیک[7]) شناخته میشود. این همگرایی علاوه بر تولید محصولات جدید، به پیشرفت و توسعه هرکدام از این حوزهها نیز کمک خواهد کرد. تا قبل از این، فناوریهای مختلف به صورت جزیرههای مستقل از هم توسعه یافته و کمتر تحقیقاتی روی همگرایی این فناوریها و استفاده همزمان از آنها صورت میگرفت. ولی پس از رشد نسبی فناوریها و خروج آنها از مرحله جنینی، کاربرد آنها در کنار یکدیگر روشنتر شده و به تدریج روند تحقیقات فناورانه به سمت همگرا نمودن آنها و استفاده همزمان از چند فناوری تغییر یافت. علاوه بر این، فناوریهای همگرا یکدیگر را برای رسیدن به هدفی مشترک توانمند میسازند. محققان فناوری بر این باورند که تحولی ناشی از علوم و فناوریهای همگرا، به مراتب بزرگتر از تحولی است که ماشین بخار و انقلاب صنعتی در زندگی بشر ایجاد نمود. لازم به ذکر است که بحث همگرایی فناوریها تنها مختص چهار حوزه نانو، بایو، فناوری اطلاعات و علوم شناختی نبوده و برای مثال همگرایی حاصل از همگرایی سه فناوری ژنتیک[8]، رباتیک[9] و نانو نیز تحت عنوان [10]GNR مطرح شده است.
شکل 1. فناوریهای همگرای انبیک و عناصر سازنده هرکدام از آنها [1].
- فناوری نانو
همانطور که اشاره شد، فناوری نانو یکی از ارکان اصلی در همگرایی انبیک است. به طور کلی فناوری نانو شامل تمامی مسائل مرتبط با ساخت، دستکاری و شناسایی ترکیبات با اندازه کمتر از 100 نانومتر است. این فناوری که به عنوان یک فناوری پیشرو در بسیاری از حوزههای کاربردی شناخته میشود، با ایجاد بستر سختافزاری در کوچکترین مقیاس ممکن برای تمامی مسائل مهندسی، سه فناوری دیگر را توانمند میسازد. برای مثال فناوری نانو با توسعه تکنیکهای جدید تصویربرداری و حسگرهای مختلف، فناوری زیستی را توانمند میسازد و با تکنیکهای کوچکسازی[11]، به فناوری اطلاعات کمک میکند؛ همانطور که امروزه نانوتراشهها[12] و نانوحسگرها پیشرفتهای شگرفی را در دنیای بیوانفورماتیک[13] ایجاد نمودهاند.
- نانوحسگرها به عنوان یک نقطه همگرایی
ما انسانها به وسیله حواس خود میتوانیم اطلاعات را از جهان به دست آورده، میان افراد مبادله کنیم و بدین ترتیب جنبههاي مهم اطلاعات را در مغز خود (شبکه هاي عصبی، ذهن) کدگذاري کرده و به خاطر بسپاریم. دانشمندان امیدوار هستند با انجام تحقیقات بیشتر بتوان رابطهای میان دستگاهها و سیستم عصبی انسان ایجاد کرد و بدین ترتیب حسگرهاي جدیدي پیدا کرد که بتوانند دادههاي ارزشمندي در مورد محیطهاي اجتماعی و فیزیکی به انسان ارایه کنند. نانوحسگرها ابزارهاي مصنوعی هستند که بر مبناي علوم میکروالکترونیک، فناوري نانو و فناوری زیستی تهیه می شوند. این ابزارها حواس کاملا جدیدي به انسان میدهند یا حواس موجود را با روشهاي جدید به کار میگیرند و در برخی موارد از رابطهاي عصبی براي ارسال مستقیم اطلاعات پیچیده به ذهن انسان استفاده میکنند. همه این مسائل موجب افزایش میزان هوشمندی انسان یا حسگرها و نانوحسگرها خواهد شد. بنابراین نانوحسگرها یک نقطه تقاطع بسیار مهم از فناوریهای همگرا و یکی از اساسیترین مفاهیم در پیشبرد هرچه بیشتر همگرایی انبیک به شمار میآیند. البته همگرایی انبیک ویژگیهای منحصر به فردی را نیز در نانوحسگرها ایجاد مینماید، از جمله قابلیت یکپارچهسازی[14] با سامانههای هوشمندی همچون گوشیهای تلفن همراه و یا قابلیت اتصال به شبکه اینترنت یا شبکههای داخلی[15]، که در راستای هوشمندسازی هرچه بیشتر آنها صورت میپذیرد.
- آلودگی هوا
هوا یا اتمسفر یک جزء مهم و جدانشدنی از محیط زیست ما را تشکیل میدهد که تاثیر انکار ناپذیری بر فرایند حیات در کره زمین دارد. متاسفانه فعالیتهای انسانی موجب آلودگی این بخش مهم از محیط زیست شده و بر روی سلامت موجودات زنده اثرات جبران ناپذیری وارد نمودهاست. به طور کلی ورود هر ذره، مولکول بیولوژیکی یا ترکیب مضر (جامد، مایع یا گاز) به اتمسفر هوا که منجر به ایجاد خطر برای سلامتی موجودات زنده شود، تحت عنوان آلودگی شناخته میشود. منابع انتشار آلایندههای هوا به دو گروه ثابت و متحرک تقسیم میشوند. گروه ثابت همانطور که از اسم آنها پیداست شامل صنایع، نیروگاهها و مراکز تجاری و مسکونی میشود در حالیکه منابع متحرک انواع وسایل نقلیه از موتورسیکلت تا هواپیما و کشتی را در بر میگیرد. آلودگی هوای ناشی از فعالیتهای صنعتی هم به دلیل مصرف سوخت است و هم نوع فرآیند بستگی دارد. در حالیکه در منابع متحرک منشاء آلودگی عمدتا گازها و یا ذرات ناشی از احتراق سوخت است. در صنایع، علاوه بر آلایندههای ناشی از سوخت و مواد خام، برخی اوقات تولیدات میانی و محصول نهایی هم وارد هوا میشود. گازهای مونوکسید کربن[16]، دیاکسید کربن[17]، اکسیدهای گوگرد[18]و نیتروژن[19]، ترکیبات آلی فرار[20]، برخی فلزات سنگین و… از مهمترین آلایندههای هوا به شمار میآیند.
شکل2. واحدهای نیروگاهی به عنوان یکی از اصلیترین منابع آلودگی هوا [2].
- گاز دیاکسید گوگرد
دیاکسید گوگرد یک گاز خفه کننده است که عمدتا از مصرف سوختهای فسیلی وارد اتمسفر زمین میشود و در بسیاری از شهرهای بزرگ عمدهترین آلاینده به حساب میآید. دیاکسید گوگرد، گازی است بیرنگ که بر روی سطوح بسیاری از مواد جامد و ذرات هوا واکنش انجام میدهد. همچنین این گاز در آب و قطرات باران نیز حل میشود و نهایتا به اسید سولفوریک تبدیل گردیده و بدین ترتیب به عنوان یکی از عوامل ایجاد بارانهای اسیدی شناخته میشود. همچنین تبدیل این گاز به اسید در نتیجه حل شدن در آب، به عنوان یکی از مهمترین عوامل خوردگی اسیدی در صنایع مختلف نیز شناخته میشود. قرار گرفتن در معرض این گاز موجب ایجاد علائمی همچون تنگی نفس[21]، اشکال در تنفس و کاهش عملکرد کمتر ریه، ضایعات ریوی، اختلالات رفتاری، کاهش میزان DNA در خون، ایجاد تغییراتی در کروموزومها، از بین رفتن لنفوسیتها[22] و در نتیجه کاهش مقاومت بدن در برابر بیماریهای عفونی خواهد شد. لذا اندازهگیری و تشخیص حضور این گاز در محیطهای مختلف، برای تضمین سلامتی انسان و همچنین جلوگیری از خوردگی در واحدهای صنعتی مختلف به خصوص نیروگاهها از اهمیت وافری برخوردار است.
- تشخیص و اندازهگیری دیاکسید گوگرد
اندازهگیری و تشخیص حضور گاز دیاکسید گوگرد جهت نظارت بر کیفیت هوا و همچنین در بسیاری از فرایندهای صنعتی امری بسیار مهم است. برای انجام این کار روشهای مختلفی وجود دارد؛ از روشهای تجزیهای کلاسیک گرفته تا روشهای دستگاهی. در این میان حسگرها اصلیترین ابزار در اندازهگیری این گاز هستند و در این راستا، حسگرهای الکتروشیمیایی متداولترین نوع حسگرها هستند (شکل 3). این حسگرها عمدتا از یک سیستم سه الکترودی بهره میبرند که معمولا الکترود کار آن با یک ترکیب پلیمری حساس به گاز دیاکسید گوگرد پوشیده شده است. جذب این گاز توسط لایه پلیمری مشخصات الکتریکی الکترود را تغییر میدهد که این تغییرات به غلظت گاز ربط داده شده و بدین ترتیب مقدار گاز مشخص میشود. در کنار این حسگرها، حسگرهای نوری مبتنی بر فلورسانس و سیستمهای وزن سنجی مکانیکی مبتنی بر بلورهای کوارتز نیز در بازار در دسترس هستند. در هر حال کاربرد حسگرهای الکتروشیمیایی به دلیل حساسیت بیشترشان بسیار گستردهتر از دیگر انواع حسگرها میباشد.
شکل 3. یک حسگر الکتروشیمیایی متداول برای تشخیص و اندازهگیری دیاکسید گوگرد [3].
- نانوحسگرهای اندازهگیری دیاکسید گوگرد
علیرغم پیشرفتهای زیاد حاصل شده در زمینه ساخت و توسعه حسگرها، حسگرهای تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد کماکان با مشکلاتی نیز درگیر هستند. مشکلاتی همچون تداخل[23] گازهای دیگر، مقاومت پایین در برابر شرایط محیطی (با توجه به امکان ایجاد اسید در زمان وجود بخار آب)، طول عمر کم، دامنه حساسیت[24]، حد تشخیص[25]، میزان مصرف انرژی و در برخی موارد سرعت تشخیص آلودگی و نشت گاز ازجمله مهمترین معضلات مربوط به حسگرهای متداول برای گاز دیاکسید گوگرد به شمار میآیند. امروزه رشد و توسعه فناوریهای همگرا بهخصوص فناوری نانو و همچنین فناوری اطلاعات در راستای غلبه بر این مشکلات، موجب توسعه نانوحسگرهایی با حساسیت، کارایی و مصرف انرژی بهمراتب بهتر از حسگرهای متداول گردیده است. این نانوحسگرها نیز همچون حسگرهای تجاری متداول عموماً بر پایه روشهای الکتروشیمیایی و یا در برخی موارد به صورت سیستمهای نانو-الکترومکانیکی[26] طراحی میگردند. در حال حاضر چندین شرکت در نقاط مختلف دنیا نمونههای تجاری از این نانوحسگرها را تولید نموده و به بازار عرضه داشتهاند.
تصویر صرفا جهت استفاده گرافیست
- بازار نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری گازها
در حال حاضر یکی از مهمترین بخشها در حوزه محیط زیست، تشخیص آلایندهها و نظارت زیست محیطی است. بر اساس آمار و پیشبینیهای ارائه شده توسط موسسه Market Research بازار فناوریهای تشخیص آلایندهها و نظارت زیست محیطی از 2/13 میلیارد دلار در سال 2014 به 6/17 میلیارد دلار در سال 2019 خواهد رسید [4]. میتوان حسگرها را اصلیترین ابزار در راستای تشخیص آلایندهها و نظارت زیست محیطی به شمار آورد که نشاندهنده اهمیت ویژه حسگرها در حوزه محیط زیست است. یکی از انواع جدید و در عین حال پر کاربرد در صنعت حسگرها، نانوحسگرها هستند که پیشبینیها حاکی از این است که بازار آنها تا سال 2020 به مبلغی بیش از 400 میلیون دلار خواهد رسید [5].در این میان بازار حسگرهای تشخیص و اندازهگیری گازها نیز از 8/4 میلیارد دلار در سال 2014 به مقدار 4/6 میلیارد دلار در سال 2019 خواهد رسید. این در حالی است که سهم نانوحسگرهای گازهای از این بازار چیزی در حدود 170 میلیون دلار برآورد شده است [6]. نکته دیگری که میتوان به آن اشاره نمود، این است که کل بازار مربوط به کاربرد فناوری نانو در حوزه محیط زیست در سال 2014 تقریباً برابر با 4/23 میلیارد دلار بوده است که این میزان در سال 2015 به مقدار 7/25 میلیارد دلار رسیده است. همچنین بر اساس پیشبینی این موسسه در سال 2020 فناوری نانو بازاری معادل 8/41 میلیارد دلار را در حوزه محیط زیست به خود اختصاص خواهد داد [7]. با توجه به این آمارها، اهمیت کاربرد فناوری نانو در حوزه محیط زیست و به خصوص در توسعه حسگرها و نانوحسگرهای گازی مختلف است. همچنین با توجه به اهمیت ویژه اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد در بخشهای مختلف، میتوان گفت که بخش قابل ملاحظهای از بازار نانوحسگرهای گازی به نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری این گاز مربوط خواهد بود.
- معرفی شرکتهای خارجی فعال
اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد میتواند در طیف گستردهای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد؛ آنالیز گاز در واحدهای صنعتی مختلف، آنالیز گازهای خروجی از اگزوز خودروها، اندازهگیریهای زیست محیطی، کنترل کیفی هوا، توسعه حسگرهای خانگی در راستای طرح خانه هوشمند و… همگی ازجمله این موارد هستند. شرکتهای بسیاری در زمینه تولید و ارائه حسگرهای مختلف اندازه گیری گاز دیاکسید گوگرد به بازار فعالیت مینمایند. در این بین برخی شرکتها نیز اقدام به تولید نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد برای مصارف مختلف نمودهاند.
شرکت Honeywell یکی از شرکتهای بزرگ فعال در حوزه ساخت و توسعه حسگرهای مختلف است. این شرکت تحقیقاتی را نیز در زمینه ساخت نانوحسگرها انجام میدهد. یکی از این نانوحسگرها که در سال 2010 حق اختراع آن به ثبت رسیدهاست [8]، نانوحسگری برای اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد میباشد. این نانوحسگر که تصویر آن در شکل 4 قابل مشاهدهاست، در واقع یک سیستم نانو-الکترومکانیکی است که درون ساختار آن یک ورقه سیلیکونی اصلاح شده[27] با نانوذرات پلیمری در حال ارتعاش[28] وجود دارد. این لایه پلیمری نسبت به گاز دیاکسید گوگرد حساس شده است و در صورت وجود این گاز در محیط، آن را جذب مینماید. این موضوع باعث تغییر در فرکانس ارتعاش ورقه سیلیکونی میشود که در نهایت این تغییرات مبنای اندازهگیری غلظت گاز قرار میگیرند. این نانوحسگر قادر است با دقت زیاد غلظت دیاکسید گوگرد را با حساسیتی در حد زپتوگرم[29] اندازهگیری نماید که نشاندهنده پتانسیل بالقوه محصولات طراحی شده بر اساس همگرایی فناوریهای انبیک است.
شکل 4. حسگر نانو-الکترومکانیکی توسعه یافته برای اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد توسط شرکت Honeywell [9].
یکی دیگر از شرکتهای شناخته شده در حوزه ساخت حسگرهای مختلف، شرکت آمریکایی SPEC-Sensors است. این شرکت محصولات متنوعی برای اندازهگیری گازهای مختلف، پایش کیفیت هوا و… دارد و در برخی موارد نیز در تولید و توسعه محصولات خود از فناوری نانو استفاده مینماید. یک نانوحسگر اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد که توسط این شرکت طراحی شده است، در شکل 5 قابل مشاهده است. در این نانوحسگر سطح الکترود کار با نانوذرات پلیمری حساس به گاز اصلاح میشود و جذب گاز همراه با تغییر مشخصات الکتریکی (مقاومت، رسانش و…) این الکترود همراه خواهد بود که معیاری از غلظت گاز است. این نانوحسگر به صورت یک تراشه طراحی شده است که قابلیت استفاده یا یکپارچه سازی[30] با ابزارهای دیگری همچون گوشیهای هوشمند[31]، ابزارهای پوشیدنی[32] یا قابل حمل[33] و… را برای آن فراهم مینماید. این موضوع یکی از اهداف اصلی همگرایی فناوریها در راستای افزایش میزان هوشمندی سیستمهای مختلف هستند.
شکل 5. نانوحسگر الکتروشیمیایی شرکت SPEC-Sensors برای اندازهگیری گاز دیاکسید گوگرد [10].
شرکت نیوزیلندی Aeroqual که زمان تاسیس آن به سال 2001 باز میگردد، در زمینه تولید تجهیزات و حسگرهای پایش کیفیت هوا فعالیت دارد و محصولاتی برای فضاهای باز[34] و سرپوشیده[35] در اختیار مشتریان خود قرار میدهد. در سالهای اخیر و با توسعه فناوریهای انبیک، این شرکت نیز شروع به فعالیت در این حوزه نمودهاست و در همین راستا چندین نانوحسگر مختلف نیز به بازار عرضه کرده است. مهمترین این نانوحسگرها که در یکی از دستگاههای پایش کیفیت هوای این شرکت به نام AQM 65 به کار میروند (شکل 6)، نانوحسگرهایی برای اندازهگیری مونوکسید کربن (CO)، سولفید هیدروژن (H2S) و گوگرد دی اکسید (SO2) هستند. این نانوحسگرهای الکتروشیمیایی شامل یک الکترود کار[36] هستند که با نوعی نانوکاتالیست[37] خاص پوشیده شده است [11-14].
شکل 6. A) دستگاه AQM 65 ساخت شرکت Aeroqual برای پایش کیفیت هوا و نانوحسگرهای به کار رفته در آن برای: B) H2S، C) SO2 و D) CO [11].
همگرایی فناوریهای نانو و اطلاعات با یکدیگر یکی از پر کاربردترین همگراییهای صورت گرفته در علوم امروزی است و موجب معرفی محصولات متنوعی به بازار شده است. مهمترین این محصولات، نانوحسگرها هستند. در همین راستا، شرکتهای مختلفی به توسعه نانوحسگرهای مختلف، به خصوص نانوحسگرهای گازی پرداختهاند. یکی از این شرکتها، شرکت NanoPlus است که در حوزه ساخت حسگرها و نانوحسگرهای مبتنی بر فناوری لیزر فعالیت دارد. این شرکت نانوحسگرهای لیزری خود را با توجه به این موضوع که فرایند جذب هر ترکیب در یک طول موج مشخص صورت میپذیرد، طراحی و تولید مینماید. این طول موج مشخص برای هر ترکیب منحصر به فرد است که زمینه مناسبی برای توسعه حسگرهای گزینشپذیر نسبت به یک ترکیب مشخص فراهم مینماید. نانوحسگر لیزری این شرکت که برای گاز دیاکسید گوگرد طراحی شده است، در شکل 7 قابل مشاهده است.
شکل 7. نانوحسگر لیزری طراحی شده برای گاز دیاکسید گوگرد توسط شرکت NanoPlus [15].
- نتیجهگیری
گاز دیاکسید گوگرد یکی از مهمترین گازهای آلاینده محیط زیست به شمار میآید که عمدتا در نتیجه سوختن ترکیبات مختلف به خصوص زغال سنگ در اتمسفر آزاد میشود. رها شدن بیش از حد این گاز در اتمسفر موجب بروز نگرانیهای زیست محیطی زیادی شده است که میتوان مهمترین آنها را بارانهای اسیدی دانست. گذشته از این مسائل، غلظت این گاز در محیطهای مختلف به خصوص در خون انسان نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این راستا و هم گام با استاندارهای تبیین شده برای میزان مجاز این گاز در بخشهای مختلف، حسگرهایی نیز برای اندازهگیری این گاز توسعه یافتهاند. توسعه علوم و فناوریهای مختلف همواره توأم با ظهور پدیدههای نو میباشد. از جمله این مسائل، همگرایی فناوریهای انبیک است که به طور ویژه نقش بسیار اساسی در توسعه نانوحسگرها دارند. امروزه نانوحسگرها در حوزههای مختلف، کاربرد گستردهای پیدا کردهاند که یکی از مهمترین آنها تشخیص و اندازهگیری گازهای مختلفی همچون دیاکسید گوگرد است.
- مراجع
- http://nbic.isti.ir/.
- http://www.ask.com/science/main-causes-air-pollution-1bc986eff16b144c.
- http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/16860-2494673.jpg.
- http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374/Environmental-Sensing-Monitoring–Technologies-Global-8143174/.
- http://www.marketresearch.com/Mordor-Intelligence-LLP-v4018/Global-Nano-Sensors-Growth-Trends-9049628/.
- http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374/Gas-Sensors-Metering-Applications-8358623/.
- http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374/Nanotechnology-Environmental-Applications-Global-9300173/.
- http://www.google.com/patents/US8609427.
- sensing.honeywell.com.
- http://www.spec-sensors.com/product/indoor-air-quality-sensor-developer-kit/.
- http://www.aeroqual.com.
- http://www.aeroqual.com/product/carbon-monoxide-analyzer-module.
- http://www.aeroqual.com/product/sulfur-dioxide-analyzer-module.
- http://www.aeroqual.com/product/hydrogen-sulfide-analyzer-module.
- http://nanoplus.com/en/application/applications-by-trace-gas/sulfur-dioxide-detection-so2/#jumptab-1.
[1] Converging Technologies
[2] Nanotechnology
[3] Biotechnology
[4] Information Technology
[5] Cognition Technology
[6] Convergence
[7] NBIC
[8] Genetic Technology
[9] Robotic technology
[10] Genetic Nano Robotic Technology
[11] Miniaturization
[12] Nanochips
[13] Bioinformatics
[14] Synchronization
[15] Intranet
[16] Carbon Monoxide (CO)
[17] Carbon Dioxide (CO2)
[18] Sulfur Oxides (SOx)
[19] Nitrogen Oxides (NOx)
[20] Volatile Organic Compounds (VOCs)
[21] Dyspnea
[22] Lymphocytes
[23] Interference
[24] Sensitivity Range
[25] Detection Limit
[26] Nanoelectromechanical Systems (NEMS)
[27] Modified
[28] Resonant
[29] Zeptograms (10-21 grams)
[30] Synchronization
[31] Smartphones
[32] Wearable
[33] Portable
[34] Indoor
[35] Outdoor
[36] Working Electrode (WE)
[37] Nanocatalyst
————————
[1] Nanosensors
[2] Sulfur Dioxide (SO2)
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- صابر زارع، محسن سروری، احسان فریدی
- تهیه شده توسط گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در صنعت آب، حسگر و محیط زیست
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================

