کلیه مسائل مرتبط با ترکیبات و ذرات با ابعاد کمتر از 100 نانومتر، همچون ساخت، شناسایی، کاربرد و… تحت عنوان فناوری نانو شناخته میشود. امروزه فناوری نانو در کنار فناوریهای زیستی[3]، شناختی[4] و فناوری اطلاعات[5] بهعنوان فناوریهای همگرا شناخته میشوند. در تعریف همگرایی بر دو قابلیت عمده تأکید شده است: همافزایی[6] و یکپارچگی[7]. این بدان معناست که برای ایجاد همگرایی، این فناوریها بایستی در کنار یکدیگر و بهصورت متحد به رفع نیاز یا نیازهایی از جامعه بشری بپردازند که هرکدام بهتنهایی قادر به انجام آن نیستند. از همین رو، برخی اندیشمندان ادغام و همگرایی این فناوریها را بهعنوان موج چهارم تمدن بشری میدانند. در این میان فناوری نانو با ایجاد بستر سختافزاری در کوچکترین مقیاس ممکن برای تمامی مسائل مهندسی، سه فناوری دیگر را توانمند ساخته و بهعنوان یکی از مهمترین فناوریهای حال حاضر دنیا شناخته میشود.
- حسگرها و نانوحسگرها
حسگرها[8] ابزاری برای تشخیص تغییرات فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی صورت گرفته در یک محیط هستند و در دامنه زیادی از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرند. حسگرها را میتوان یک نقطه تقاطع بسیار مهم از فناوریهای همگرا دانست. نقطهای که باعث پیدایش مفاهیم جدیدی همچون نانوحسگرها گردیده است و همگرایی این فناوریها را بهخوبی تبیین میکند. بهعنوان مثال؛ ساخت نانومواد حساس به یک ترکیب خاص، تحقیقات صورت گرفته در راستای شناخت بهتر متابولیسم بدن انسان، بیماریها و راههای تشخیص و مبارزه با آنها و همچنین مسائل مربوط به انتقال اطلاعات توسط حسگرها در یک نقطه کانونی بسیار مهم به یکدیگر پیوسته و موجب ساخت نانوحسگری برای تشخیص یک بیماری خاص میشوند. درهرحال، نانوحسگرهایی که از همگرایی حداقل دو فناوری از فناوریهای چهارگانه توسعه مییابند را حسگرهایی میدانند که میتوانند با حساسیت، دقت و کارایی بسیار بالا، تغییرات صورت گرفته در یک محیط را در مقیاس نانو شناسایی نموده و به دنیای ماکروسکوپی بیرون انتقال دهند.
- مبارزه با انتشار گازهای سمی
انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است و متأسفانه هشدار دهندههای موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی اینگونه گازهای نشتی میشوند. لذا، یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هوا است. در راستای تحقق این هدف، حسگرها اصلیترین و مهمترین نقش را ایفا مینمایند. امروزه استفاده از نانوحسگرها در زمینه کنترل آلودگی هوا نیز با پیشرفت مناسبی مواجه بوده است. در حال حاضر، نانوحسگرهای متعددی برای تشخیص و اندازهگیری آلودگیهای مختلف هوا توسعه یافته و بهصورت تجاری در دسترس هستند که حتی قادر به شناسایی تعداد کمی از مولکولهای گازی مهلک در محیط نیز هستند.
- گاز دیاکسید کربن
دیاکسید کربن یکی از گازهای مهم در چرخه حیات موجودات زنده است، با این وجود انتشار بیش از حد این گاز در محیط زیست اثرات مخربی را بر محیط زیست گذاشته است. انتشار بیش از حد دیاکسید کربن با توجه به استفاده فراوان از سوختهای فسیلی در دنیا باعث افزایش دمای کره زمین و عوارض ناشی از آن گشته است. از این گذشته گاز دیاکسید کربن اثراتی را نیز بر بدن موجودات زنده میگذارد. با توجه به اینکه دیاکسید کربن گازی بی بو و بی رنگ است، تشخیص آن در محیط و همچنین تشخیص مسمومیت با آن نیز دشوار است، زیرا مسمومیت با دیاکسید کربن دارای علائم اختصاصی نیست. دیاکسید کربن یک ترکیب خفگی آور بوده و مشخص شده است که میتواند نیروی انقباضی را در قلب کاهش دهد. ازاینرو تشخیص و اندازهگیری این گاز از اهمیت ویژهای برخوردار است.
- تشخیص و اندازهگیری دیاکسید کربن
اندازهگیری دیاکسید کربن جهت نظارت بر کیفیت هوا، بررسی عملکرد ریهها (در قالب دستگاه کاپنوگراف[9])، در بسیاری از فرایندهای صنعتی و… از اهمیت خاصی برخوردار است. علاوه بر این موارد، با توجه به انتشار گاز دیاکسید کربن در هنگام سوختن ترکیبات مختلف، یکی دیگر از مهمترین کاربردهای اندازهگیری گاز دیاکسید کربن، توسعه سیستمهای تشخیص آتشسوزی است. حسگرها اصلیترین ابزار اندازهگیری این گاز هستند و در این راستا، حسگرهای مادونقرمز غیرپاشنده[10] (غیرپاشنده بودن اشاره به عدم پراکندگی امواج مادون قرمز به واسطه عدم وجود اجزای نوری مثل عدسی، آینه و… در ساختار حسگر دارد) متداولترین نوع حسگرها هستند. این حسگرها که بر پایه تکنیک طیفسنجی[11] عمل میکنند و در شکل نمونهای از آنها قابل مشاهده است، از طیف جذبی مشخصه دیاکسید کربن برای شناسایی آن در محیطهای گازی استفاده مینمایند. بهترین نوع از این حسگرها، سیستمهای میکرو الکترومکانیکی[12] هستند که حساسیتی بین 20 تا 50 قسمت در میلیون[13] دارند. دسته دیگر از حسگرهای دیاکسید کربن، حسگرهای شیمیایی هستند که عموماً دارای یک لایه فعال پلیمری هستند. این لایه میتواند به صورت گزینشپذیر دیاکسید کربن را بر روی خود جذب نماید. این عمل موجب ایجاد تغییراتی در مشخصات الکتریکیِ حسگر (مقاومت، رسانش و…) میشود که مبنای تشخیص گاز دیاکسید کربن خواهد بود. لازم به ذکر است که این حسگرها حساسیت کمتری از حسگرهای مادونقرمز دارند.
شکل 1. یک نمونه نوعی از حسگرهای مادونقرمز غیرپاشنده تجاری برای اندازهگیری و تشخیص گاز دیاکسید کربن [1].
- نانوحسگرهای اندازهگیری دیاکسید کربن
باوجود پیشرفت و توسعه بسیار زیاد حسگرهای تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید کربن، این حسگرها با مشکلاتی نیز روبرو هستند. مشکلاتی همچون دامنه حساسیت[14]، حد تشخیص[15]، میزان مصرف انرژی و در برخی موارد سرعت تشخیص آلودگی و نشت گاز ازجمله مهمترین معضلات مربوط به حسگرهای متداول برای گاز دیاکسید کربن میباشد. استفاده از 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 طیفسنجی فروسرخ طراحی میگردند. علاوه بر نانوحسگرهای فروسرخ، نانوحسگرهای الکتروشیمیایی، نانوحسگرهای مبتنی بر اندازهگیری پارامترهای فیزیکی (مثل فشار) و نانوحسگرهای مبتنی بر اندازهگیری پارامترهای شیمیایی (مثل pH) نیز به عنوان مهمترین انواع نانوحسگرهای اندازهگیری و تشخیص گاز دیاکسید کربن شناخته میشوند. در حال حاضر چندین شرکت در نقاط مختلف دنیا نمونههای تجاری از این نانوحسگرها را تولید نموده و به بازار عرضه داشتهاند و همزمان تحقیقات گستردهای نیز در راستای توسعه و بهبود عملکرد آنها در حال انجام است.
- هوشمندسازی نانوحسگرها؛ تبلور همگرایی فناوری های چهارگانه
امروزه مباحثی همچون سامانههای هوشمند[16]، خانههای هوشمند[17] و همچنین اینترنت اشیاء[18] توجه زیادی را به سمت خود جلب نمودهاند. پیدایش این مفاهیم نیز به نوعی از همگرایی فناوریهای چهارگانه سرچشمه میگیرد و نقش خود را به خوبی در حوزههای مختلف به عرصه ظهور گذاشته است. به جرات میتوان حسگرها و نانوحسگرها را یکی از اصلیترین ارکان در مبحث خانه هوشمند و اینترنت اشیاء دانست. امروزه نانوحسگرهای هوشمند به خوبی قابلیت یکپارچهسازی[19] خود را با سامانههای هوشمندی همچون گوشیهای تلفن همراه و یا قابلیت اتصال به شبکه اینترنت یا شبکههای داخلی[20] و محلی[21] و حتی سیستمهای اطفاء حریق در معرض نمایش گذاشتهاند. به عنوان یک مثال، نانوحسگرهای اندازهگیری گازها با کمک فناوری نانو و یا فناوری زیستی طراحی و ساخته میشوند، سپس این نانوحسگرها با مدارهای الکتریکی بسیار کوچک برای انتقال اطلاعات جفت شده (نقش فناوری اطلاعات) و پس از تشخیص حضور گاز، اطلاعات حاصل را به مرکز تحلیل دادهها ارسال مینماید و در نهایت این اطلاعات از طریق ابزار هوشمند به اطلاع فرد رسانده میشود. این مسائل کاربردی در توسعه نانوحسگرهای هوشمند برای مصارف مختلف از جمله تشخیص و اندازهگیری گازهای مختلفی همچون دیاکسید کربن و همچنین سیستمهای اطفاء حریق نیز کاربرد پیدا کرده و در این راستا محصولاتی نیز به بازار عرضه شدهاند.
- بازار نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری گازها
بر اساس آمار و پیشبینیهای ارائه شده توسط موسسه Market Research 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 [2]. علاوه بر این، یکی از مهمترین بخشها در حوزه محیط زیست، تشخیص آلایندهها و نظارت زیست محیطی است که حسگرها اصلیترین ابزار برای انجام این کار هستند. بر اساس گزارشهای دیگر این موسسه، 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 [3]. این موضوع نشاندهنده اهمیت ویژه حسگرها در حوزه محیط زیست است. سهم نانوحسگرها از این بازار بیش از 400 میلیون دلار خواهد بود [4]. 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 اندازهگیری گازهای مختلف از این بازار چیزی در حدود 170 میلیون دلار برآورد شده است [5]. با توجه به این آمارها، اهمیت اندازهگیری گاز دیاکسید کربن در بخشهای مختلف و همچنین این موضوع که اکثر حسگرها و نانوحسگرهای موجود در سیستمهای تشخیص آتشسوزی و اطفاء حریق نیز در عمل حضور بیش از حد گاز دیاکسید کربن را در محیط تشخیص میدهند، میتوان گفت که بخش بزرگی از بازار نانوحسگرهای گازی به نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید کربن مربوط خواهد بود.
- معرفی شرکتهای خارجی فعال
اندازهگیری گاز دیاکسید کربن در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد؛ آنالیز گازهای خروجی از اگزوز خودروها، سیستمهای تشخیص آتشسوزی و اطفاء حریق و مصارف صنعتی و خانگی، همگی ازجمله این موارد هستند. در این راستا شرکتهای متعددی حسگرهای گوناگونی را به بازار عرضه مینمایند و برخی نیز اقدام به تولید نانوحسگرهای تشخیص و اندازهگیری گاز دیاکسید کربن برای مصارف مختلف نمودهاند.
شرکت هندی Southern Electronics (SEONICS) از جمله شرکتهایی است که در حوزه تولید سیستمهای تشخیص آتشسوزی به فعالیت میپردازد. یکی از محصولات این شرکت لولههای پلیمری پوشیده شده به وسیله نانوذرات پلیمری حساس به گاز است که نوعی نانوحسگر دیاکسید کربن برای تشخیص آتشسوزی به شمار میآید. از این محصول میتوان جهت کاربردهای گوناگونی همچون محفظههای دربرگیرنده مدارهای الکتریکی با خطر بالا، تجهیزات کارگاهی و آزمایشگاهی مثل هود آزمایشگاه، آشپزخانهها، موتور خودروها، واحدهای صنعتی و… استفاده نمود (شکل 2).
شکل2. لولههای پلیمری حساس شده با نانوذرات پلیمری برای تشخیص و اطفاء حریق توسط شرکت SEONICS [6].
نکته جالب در مورد این محصول این است که علاوه بر ایفای نقش نانوحسگر و فعال ساز سیستم اطفاء حریق، این محصول میتواند مستقیما نقش سیستم اطفاء حریق را نیز ایفا نماید (شکل 3). همچنین لازم به ذکر است که میتوان از این سیستم برای انواع مختلف عوامل خاموش کننده آتش مانند آب، پودر خشک، کف، دیاکسید کربن و… استفاده نمود.
شکل 3. نحوه عملکرد مستقیم و غیرمستقیم سیستم اطفاء حریق حساس شده با نانوذرات پلیمری؛ در حالت مستقیم، لولههای پلیمری حساس شده هم نقش حسگر را ایفا میکنند و هم از آنها برای انتقال مواد اطفاء حریق استفاده میشود اما در حالت غیر مستقیم، لولههای پلیمری حساس شده صرفا به عنوان حسگر عمل کرده و سیستم اطفاء حریق را فعال مینماید [6].
این شرکت محصولات دیگری نیز در این زمینه دارد که مهمترین آنها نانوحسگری برای گاز دیاکسید کربن است که با نام تجاری iP-213 در این شرکت به ثبت رسیده است.
شرکت AMFNANO شرکتی آمریکایی است که به طور تخصصی در حوزه تولید حسگر فعالیت مینماید. این شرکت اکثر محصولات خود را با استفاده از فناوری نانو تولید نموده و حسگرها و نانوحسگرهایی برای اندازهگیری فشار و همچنین گازهای مختلفی مثل دیاکسید کربن، متان و… عرضه مینماید. نانوحسگر دیاکسید کربن (شکل 4) ساخت این شرکت در بازه غلظتی 10 تا 500 قسمت در میلیون و در شرایط محیطی سخت مثل فشار و دمای بالا و محیطهایی با ارتعاش و نوسانات مکانیکی زیاد قابل استفاده است.
شکل 4. نانوحسگر تشخیص و اندازهگیری دیاکسید کربن ساخت شرکت AMFNANO [7].
از جمله کاربردهای دیگر حسگرها و نانو حسگرهای دیاکسید کربن، پایش کیفیت هوا در مکانهای مختلف میباشد. در این حوزه نیز محصولاتی در بازار جهانی موجود است. از جمله این محصولات میتوان به نانوحسگر TGS8100 ساخت شرکت ژاپنی FIGARO برای تشخیص گازهای مختلف از جمله دیاکسید کربن اشاره نمود (شکل5). با توجه به ابعاد کوچک این نانوحسگر میتوان از آن در ابزارهای مختلفی همچون گوشیهای تلفن همراه هوشمند، ابزارهای پوشیدنی مثل ساعتهای هوشمند، حسگرهای پایش کیفیت هوای داخل منزل و… استفاده نمود. از جمله مهمترین مزایای این نانوحسگر میتوان به کاهش 92 درصدی میزان برق مصرفی توسط این نانوحسگر در مقایسه با حسگرهای متداول موجود در بازار اشاره نمود. میزان مصرف این نانوحسگر به حدی است که میتوان برای استفاده از آن از باطریهای کوچک نیز استفاده نمود.
شکل 5. نانوحسگر TGS8100 ساخت شرکت FIGARO برای اندازهگیری گازهای مختلف از جمله دیاکسید کربن [8].
در کنار این شرکتها، محققان دانشگاه ETH زوریخ نیز با همکاری محققانی از مؤسسه ماکس پلانک موفق به ساخت یک نانوحسگر گازی با ترکیب نانوذرات معدنی با پلیمر شدهاند که قادر است گاز دیاکسید کربن را در غلظتهای کم (04/0 تا 25/0 درصد حجمی) اندازهگیری کند (شکل 6). پایه این کامپوزیت، پلیمرهایی از جنس مایعات یونی[22] است که نوعی نانوذرات معدنی درون آن قرار گرفته است. این نانوحسگر در مقایسه با حسگرهای فعلی ساختار بسیار ساده و مصرف انرژی کمی دارد. مواد به کار رفته در این حسگر میتوانند با گاز دیاکسیدکربن برهمکنش دهند که باعث ایجاد تغییراتی در هدایت الکتریکی نانوحسگر میشود. در نهایت این تغییرات در هدایت الکتریکی به غلظت گاز دیاکسید کربن ارتباط داده شده و میزان آن در محیط اندازهگیری میشود.
شکل 6. نانوحسگر اندازه گاز دیاکسید کربن ساخته شده توسط محققان دانشگاه ETH زوریخ [9].
موسسه MESA+ بنیادی درون دانشگاهی برای انجام تحقیقات بر روی کاربردهای فناوری نانو در حوزههای مختلف، تجاری سازی محصولات فناوری نانو، ارائه آنها به بازار و… است که در دانشگاه TWENTE هلند فعالیت دارد. این موسسه با بهکارگیری از یک هیدروژل حساس شده با نانوذرات اقدام به معرفی یک نانوحسگر دیاکسید کربن نموده است که برای اندازهگیری غلظت دیاکسید کربن در خون مورد استفاده قرار میگیرد. نحوه عملکرد این نانوحسگر که در شکل 7 قابل مشاهد است، بدین صورت است که بعد از قرار گرفتن نمونه خون بر روی ورودی نانوحسگر، گاز دیاکسید کربن موجود درون آن از یک غشای تراوا نسبت به گاز[23] عبور کرده و وارد یک الکترولیت از جنس بیکربنات میشود. بدین ترتیب واکنشی میان گاز و الکترولیت صورت میپذیرد که موجب تغییر pH خواهد شد. سپس هیدروژل حساس به pH [24] موجود در ساختار نانوحسگر به این تغییرات پاسخ داده و ایجاد یک فشار مکانیکی مینماید که توسط حسگر فشار اندازهگیری شده و به غلظت گاز دیاکسید کربن ارتباط داده میشود.
شکل 7. ساختار نانوحسگر ساخته شده توسط موسسه MESA+ برای اندازهگیری دیاکسید کربن موجود در خون [10].
- نتیجهگیری
گاز دیاکسید کربن یکی از گازهای مهم در چرخه حیات به شمار میآید که عمدتا در نتیجه سوختن ترکیبات مختلف آزاد میشود. رها شدن بیش از حد این گاز در اتمسفر موجب بروز نگرانیهای زیست محیطی زیادی شده است که میتوان مهمترین آنها را گرم شدن کره زمین دانست. در کنار مسائل زیست محیطی، میزان حضور این گاز در محیطهای مختلف و حتی در خون انسان نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است که نشاندهنده میزان اهمیت اندازهگیری دیاکسید کربن میباشد. در این راستا و در کنار تبیین استانداردهایی برای میزان مجاز این گاز در حوزههای مختلف حسگرهایی نیز برای اندازهگیری این گاز ساخته شدهاند. با گذر زمان و پیشرفت بیشتر علوم و فناوریهای مختلف، بهویژه فناوریهای همگرا، نسل جدید حسگرها یعنی نانوحسگرها نیز در این حوزه پا به عرصه ظهور نمودند. امروزه نانوحسگرهای زیادی در سراسر دنیا برای مقاصد مختلف طراحی و ساخته میشوند که بخش عمدهای از آنها به ترکیبات گازی مثل دیاکسید کربن اختصاص دارند.
- مراجع
- http://www.alphasense.com/WEB1213/wp-content/uploads/2013/05/NDIR_1.jpg
- http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374/Nanotechnology-Environmental-Applications-Global-9300173
- 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.seonics.co.in/?page_id=762
- http://www.amfnano.com/images/sensor-image.jpg
- http://www.figaro.co.jp/en/product/feature/tgs8100.html
- https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2015/06/new-composite-material-as-CO2-sensor.html
10.https://www.utwente.nl/ewi/bios/research/electrochemicalsystems/formeranalysissystemsandsensorsprojects/ahydrogelbased
[1] Nanotechnology
[2] Converging Technologies
[3] Biotechnology
[4] Cognitive Technology
[5] Information Technology
[6] Synergism
[7] Integrity
[8] Sensors
[9] Capnography
[10]Non-Dispersive Infrared (NDIR)
[11] Spectroscopy
[12] Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)
[13] Parts Per Million (ppm)
[14] Sensitivity Range
[15] Detection Limit
[16] Smart Systems
[17] Smart Home
[18] Internet of Things (IOT)
[19] Synchronization
[20] Intranet
[21] Local Area Network (LAN)
[22] Poly(Ionic Liquids); PIL
[23] Gas Permeable Membrane
[24] pH-Sensitive Hydrogel
———————————————————————
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]
====================================================================================

