کاربردهای فناوری نانو در صنایع ساخت حسگرهای آلودگی هوا

افزایش فعالیت صنایع و گسترش شهرنشینی موجب انتشار آلاینده‌ها در محیط‌زیست و ایجاد مشکلات محیط‌زیستی جدی شده است. انتشار آلاینده‌ها همچون یون‌های فلزات سنگین، گازهای سمی مختلف، ترکیبات آلی فرار (VOCs)، آفت‌کش‌ها و سایر آلاینده‌ها ناشی از فعالیت صنایع، وسایل نقلیه، فعالیت‌های خانگی و کشاورزی می‌تواند به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم بر اکوسیستم تأثیر بگذارد که این امر منجر به مسائل محیط‌زیستی جهانی مانند باران اسیدی، اثرات گلخانه‌ای، سندرم ساختمان بیمار و تخریب لایه ازن می‌شود که به‌شدت امنیت محیطی و سلامت انسان را تهدید می‌کند؛ بنابراین نظارت و کنترل مناسب این آلاینده‌ها برای جلوگیری از گسترش مسائل محیط‌زیستی ضروری است.

با انتشار آلاینده‌های هوا و با توجه به نتایج حاصل از مطالعات پیرامون اثر آلاینده‌های هوا بر سلامتی انسان و محیط‌زیست، اهمیت پایش آلاینده‌های هوا برای آگاهی از کیفیت هوا و اقدامات کنترلی مناسب جهت حفظ سلامت انسان بسیار موردتوجه سیاست‌گذاران و مسئولان قرار گرفته است. در راستای پایش و نظارت بر غلظت آلاینده‌های هوا پیشرفت‌های مؤثری صورت گرفته است که یکی از آن‌ها، کاربرد فناوری نانو در ساخت حسگرهای پایش آلاینده‌ها به‌ویژه آلاینده‌های گازی است.

1. حسگرهای شیمیایی مبتنی بر نانومواد

نانوحسگرها در حال حاضر جهان را متحول کرده‌اند و اثرات مهمی در علوم پزشکی، هوافضا و محیط‌زیست دارند. ویژگی‌های مواد در مقیاس نانو به‌طور چشمگیری با مواد در ابعاد بالاتر متفاوت است. در شکل 1 یکی از طبقه‌بندی‌های انواع نانوحسگرها آورده شده است. نانوحسگرهای شیمیایی معمولاً برای تشخیص مواد مختلف در پایش آلودگی، توسعه دارو، آنالیز باقیمانده نمونه‌های محیطی و سنجش ترکیبات آلی فسفر استفاده می‌شوند. نانوذرات[1] (NPs)، نانولوله‌ها[2] (NT)، نانومیله‌ها[3] (NRs)، نانوتسمه‌ها[4] (NBs)، نانوسیم‌ها[5] (NWs) پلیمر و مواد زیستی نمونه‌هایی از مواد نانوساختار مورداستفاده در تولید نانوحسگرها هستند. به‌طورکلی حسگرهای شیمیایی باید دارای ویژگی‌های مهم زیر باشند:

• قابلیت تبدیل غلظت‌های شیمیایی به سیگنال‌های الکتریکی؛
• پاسخگویی سریع؛
• پایداری و توانایی پاسخگویی در مدت‌زمان طولانی؛
• ابعاد کوچک؛
• ارزان‌قیمت؛
• عملکرد اختصاصی، به‌عنوان‌مثال آن‌ها باید منحصراً به یک آنالیت پاسخ دهند؛
• دارای حد تشخیص کم، یا حساسیت بالا.

نانومواد مبتنی بر کربن رسانایی عالی، پایداری مناسب، هزینه کمتر و سهولت عملکرد سطحی دارند و برای کاربردهای الکتروتحلیلی متنوعی استفاده می‌شوند. این ترکیبات گروه عاملی سطحی کارآمدی را برای اتصال مواد آنالیت فراهم می‌کنند که منجر به عملکرد تشخیص خوب آن‌ها برای آلاینده‌های محیطی می‌شود. نانوذرات فلزی دارای ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی متمایز هستند که منجر به استفاده گسترده از آن‌ها در کاربردهای مختلف شده است. سنجش با فلزات مختلفی از جمله طلا، پلاتین، پالادیوم، نقره، مس و… انجام شده است. دستگاه‌های سنجش شامل حسگرهای نانوساختار مجزا، حسگرهای چند نانوساختار و حسگرهای فیلم نانوساختار هستند. این دستگاه‌های نانوحسگر دارای تعدادی ویژگی برجسته هستند (1) از جمله:

• کاهش اندازه قطعات حسگر و مبدل: کوچک‌سازی دستگاه‌ها؛
• خواص سطح به دلیل نسبت سطح به حجم زیاد؛
• افزایش حساسیت، بهبود محدودیت‌های تشخیص؛
• پاسخ‌های ابزاری سریع‌تر.

این ویژگی‌ها آن‌ها را از فناوری‌های حسگر موجود در حال حاضر متمایز می‌کند.

شکل 1- طبقه‌بندی انواع نانوحسگرها (1)

2. حسگر گاز مبتنی بر نانومواد

نانوحسگر گاز دستگاهی است که وجود گازهای مختلف را در یک منطقه، معمولاً به‌عنوان بخشی از یک سیستم ایمنی تشخیص می‌دهد. این نوع حسگر شیمیایی برای تشخیص نشت گاز و رابط با یک سیستم کنترل استفاده می‌شود تا یک فرآیند به‌طور خودکار خاموش شود. یک حسگر گاز همچنین می‌تواند به اپراتورها در منطقه‌ای که نشت در آن رخ می‌دهد هشدار بدهد و به آن‌ها فرصت خروج از منطقه را بدهد. این حسگرها می‌توانند برای تشخیص گازهای قابل احتراق، قابل اشتعال و سمی و کاهش اکسیژن استفاده شود. این نوع دستگاه به‌طور گسترده در نظارت بر محیط‌زیست، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌های شیمیایی، دارویی، تحقیقاتی و صنعت استفاده می‌شود. تشخیص گاز با استفاده از اکسیدهای نیمه‌رسانا تا به امروز تأثیر قابل توجهی داشته است. با این حال، نیاز به کار با دستگاه در دمای بالا اغلب استفاده از این نوع تشخیص را محدود می‌کند. با توجه به این محدودیت، پیشنهادی برای اصلاح برخی از پارامترهای ساختاری انجام شده است: به‌عنوان مثال، جهت و شکل بلور.

یکی از ویژگی‌های مهم نانومواد نسبت سطح به حجم بالای آن‌هاست و این ویژگی مهم نانومواد باعث جذب گازها بر روی حسگر می‌شود و می‌تواند حساسیت دستگاه را افزایش دهد زیرا تعامل بین آنالیت‌ها و قسمت حسگر بیشتر است. جدای از این، بسیاری از مطالعات بر کاهش اندازه اکسیدهای فلزی به شکل نانوذرات و نانوسیم، لایه‌های نازک پلیمرهای رسانا، نانوذرات فلزی و اخیراً نانولوله‌های کربنی نیز برای دستگاه‌های حسگر گاز استفاده شده‌اند. این مواد هنگامی که محرک لایه حسگر را پس از تشخیص مولکولی یا یونی دریافت می‌کنند، خواص الکتریکی (مانند رسانایی یا امپدانس) و خواص نوری (مثلاً ضریب جذب مولی یا ضریب شکست) خود را تغییر می‌دهند (2).

3. انواع نانوحسگرهای گاز
   • حسگرهای گاز مبتنی بر نانوذرات فلزی

نانوذرات فلزی رسانایی الکترونیکی را فراهم می‌کنند، در حالی که ماتریس آلی، محل‌های اتصال انتخابی را فراهم می‌کند که در آن‌ها جذب مولکول‌های آنالیت انجام می‌شود. قابلیت کنترل خواص حسگر با طراحی مولکولی از ویژگی‌های جذاب این رویکرد است. در بیشتر موارد، نانوذرات فلزی روی سطح یک بستر پراکنده می‌شوند تا نسبت مساحت/حجم را افزایش دهند و به جذب گازها کمک کنند. نانوذرات فلزی هنگامی که با آنالیت در تماس هستند، خواص الکترونیکی یا خواص زیرلایه خود را تغییر می‌دهند، زیرا مولکول‌های گاز روی فلز جذب می‌شوند. در جدول 1، خلاصه‌ای از نانومواد مورداستفاده از پایش گازها ارائه شده است.

• . حسگرهای گاز مبتنی بر اکسید فلزی

اکسیدهای فلزی نانوساختار یکی از انواع اصلی مواد مورداستفاده برای ساخت حسگرهای گاز هستند. ماهیت نیمه‌هادی برخی از این ترکیبات باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی مواد با تغییر ترکیب جو اطراف تغییر کند؛ بنابراین می‌توان گفت که اکثر این دستگاه‌ها را می‌توان به‌عنوان نانوحسگرهای رسانایی طبقه‌بندی کرد. همان‌طور که قبلاً بیان شد، مواد با اندازه نانو نسبت مساحت/حجم بسیار مطلوبی دارند؛ بنابراین برای همان ترکیب شیمیایی، هرچه نانومواد کوچک‌تر باشند، حسگر حساس‌تر است.

• حسگرهای گاز مبتنی بر نانولوله کربنی

نانولوله‌های کربنی در زمینه حسگرها بسیار جالب هستند، زیرا با نسبت سطح به حجم بالا و از لحاظ نظری نامحدود مشخص می‌شوند. امروزه، توسعه حسگرهای گاز مبتنی بر نانولوله کربنی به دلیل پاسخ بالا، سطوح تشخیص غلظت زیر ppb، پاسخ سریع، دمای عملیاتی پایین، مصرف انرژی کم، اندازه کوچک برای کوچک شدن دستگاه نانو، عملکرد بسیار موردتوجه قرار گرفته است.

• حسگر گاز مبتنی بر پلیمر

امروزه برای کاربرد سنجش، پلیمرهای رسانا مانند پلی‌پیرول (PPy)، پلی‌آنیلین (Pani)، پلی‌تیوفن (PTh) و مشتقات آن‌ها نیز به‌عنوان لایه‌های فعال حسگر گاز مورداستفاده قرار گرفته‌اند. در مقایسه با اکثر حسگرهای تجاری موجود که معمولاً بر پایه اکسیدهای فلزی هستند و در دماهای بالا کار می‌کنند، حسگرهای ساخته‌شده از پلیمرهای رسانا ویژگی‌های بهبود یافته زیادی دارند. آن‌ها حساسیت بالا و زمان پاسخ کوتاه دارند. به‌ویژه آن دسته از حسگرهایی که در دمای اتاق کار می‌کنند. سنتز پلیمرهای رسانا از طریق فرآیندهای شیمیایی یا الکتروشیمیایی آسان است و ساختار زنجیره مولکولی آن‌ها را می‌توان به‌راحتی با کوپلیمریزاسیون یا مشتقات ساختاری اصلاح کرد. علاوه بر این، پلیمرهای رسانا خواص مکانیکی خوبی دارند که امکان ساخت آسان حسگرها را فراهم می‌کند. مشکلات اصلی مرتبط با این مواد عبارت‌اند از عدم گزینش‌پذیری آن‌ها و پایداری کمتر آن‌ها نسبت به زمان و دما. مواد افزودنی مانند نانوذرات کربن یا الیاف برای افزایش گزینش‌پذیری و پایداری حسگرهای مبتنی بر پلیمر موردبررسی قرار گرفته‌اند (3, 4).

جدول 1- خلاصه‌ای از حسگرهای مبتنی بر نانوساختار برای پایش کیفیت هوا (1)

2. شرکت‌های فعال در حوزه نانوحسگرها
   • شرکت‌های فعال خارجی در حوزه نانوحسگرها

با توجه به اهمیت بســیار زیاد پایش آلودگی هوا و پتانسیل بسیار بالای نانوحسگرها در این زمینه، سازمان‌های بین‌المللی، شرکت‌ها و مؤسسات زیادی اقدام به طراحی، توسعه و ساخت نانو حسگرهای تشخیص آلودگی هوا نموده‌اند. از میان این شرکت‌ها و مؤسسات می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

شــرکت نیوزیلنــدی آیروکوال[6] که زمان تأسیس آن به ســال 2001 بازمی‌گردد، در زمینــه تولید تجهیزات و حسگرهای پایش کیفیت هوا فعالیت دارد و محصولاتی برای فضاهای باز و سرپوشــیده در اختیار مشتریان خود قرار می‌دهد. در سال‌های اخیر این شرکت شروع به فعالیت در حوزه فناوری کرده 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 به کار می‌روند، نانوحسگرهایی برای اندازه‌گیری مونوکسید کربن، سولفیدهیدروژن و دی‌اکسیدسولفور هستند. این نانوحسگرهای الکتروشیمیایی شامل یک الکترودکار هستند که با نوعی نانوکاتالیست خاص پوشیده شده است.

شکل 2- (A) دستگاه AQM65 ساخت شرکت آیروکوال برای پایش کیفیت هوا و نانوحسگرهای اندازه‌گیری H₂S(B)، (C) SO₂ و (D) CO

ســازمان فضایــی آمریــکا NASA نیز بــرای پایش آلودگی ناشــی از ذرات معلق در هــوا اقدام به ســاخت نانوحسگر نموده اســت. این نانوحسگر بســیار کوچک از ترکیب 64 نانوحسگر با یکدیگر ســاخته شــده و می‌توان در ســاخت حسگرهای قابل‌حمل نیز از آن اســتفاده کرد. یک نمونه از طراحی‌هایی که از این نانوحسگر در ســاخت آن اســتفاده شده اســت و می‌توان آن را به تلفن همراه متصل و بدین‌وسیله مقادیر برخی آلاینده‌ها همچــون ذرات معلــق را اندازه‌گیــری نمــود، در شکل 3 قابل مشاهده است.

شکل 3- نانوحسگر پایش ذرات معلق ساخته شده توسط NASA

همچنین شرکت آرنوس[7] یکی از شرکت‌هایی است که در زمینه ساخت حسگرهای گازی بر پایه نانومواد پیشگام است. محصولات حسگری شرکت آرنوس دارای آرایه‌های بسیار کوچک برای شناسایی ترکیبات گازی حتی در غلظت‌های بسیار پایین (ppb) است و از آن‌ها می‌توان برای نظارت بر کیفیت هوای داخل و خارج از ساختمان استفاده کرد. این محصولات قابلیت استفاده برای تشخیص گازهای خطرناک و همچنین استفاده به‌عنوان بینی الکترونیکی را دارا هستند. نظارت بر کیفیت هوا در خانه‌های هوشمند، شهرهای هوشمند، ساختمان‌های تجاری، حمل‌ونقل و دیگر کاربری‌ها، با محدودیت عملکرد حسگرهای گازی موجود روبه‌رو است. با شناسایی چندین گاز به‌صورت هم‌زمان، در سطح ppb، کاربران این امکان را پیدا می‌کنند تا با یک محصول منحصربه‌فرد در بخش حسگری کار کنند. با استفاده از فناوری AerN₂S، محققان شرکت آرنوس دستگاهی ساخته‌اند که می‌تواند ازن را با حساسیت بالا شناسایی کند، این کار در مقادیر بسیار کم و در مقیاس ppb صورت می‌گیرد. حسگرهای چند گازی آرنوس برای گازهای ویژه‌ای تنظیم شده‌اند که در این میان ازن و فرمالدهید به همراه آمونیاک، دی‌اکسید نیتروژن و ترکیبات آلی فرار از جمله ترکیباتی هستند که با استفاده از فناوری این شرکت در مقیاس‌های بسیار کم قابل‌شناسایی هستند.

شرکت هانیول[8] یکی دیگر از مطرح‌ترین تولیدکنندگان حسگرهای مورداستفاده در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی در دنیاست. این شرکت در زمینه ساخت حسگرهای مورداستفاده در رصد فرایندها و همچنین در زمینه ساخت حسگر تشخیص گازهای خطرناک، بخش بزرگی از بازار را به خود اختصاص داده است. در گزارش‌های تحلیلی که به پیش‌بینی بازیگران کلیدی بازار نانوحسگرها در آینده می‌پردازند، هانیول به‌عنوان یکی از شرکت‌های کلیدی این عرصه قلمداد می‌شود.

• شرکت‌های فعال داخلی در حوزه نانوحسگرها

متأسفانه علی‌رغم وجود پتانسیل علمی بسیار بالا در زمینه ساخت نانوحسگرها در داخل کشور، تاکنون شرکتی به‌طور تخصصی به این حوزه وارد نشده است؛ هرچند مطالعات علمی بسیاری در این زمینه صورت می‌پذیرد. در راســتای ایــن مطالعات برخی مــوارد نیز به‌صورت اختراع به ثبت می‌رســند کــه از میــان مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به دستگاه نانوحسگر تشخیص انواع آلاینده‌ها با توانایی شناسایی آلاینده‌ها در حد یک نانوگرم در دانشگاه تبریز اشاره کرد. این نانوحسگرها بر اساس خاصیت پیزوالکتریک معکوس ســاخته شده‌اند و در تشــخیص و اندازه‌گیری گازهای مختلف، مواد شیمیایی و ذرات معلق کاربرد دارند. این نانوحسگر با تغییراتی که بر روی فرکانس بلورهای پیزوالکتریک ایجاد می‌شود، نوع ماده را مشخص و مقدار آن را اندازه‌گیری می‌کند. همچنین می‌توان با تغییر نانوپوشش ایجاد شده بر روی سطح نانوحسگر، نوع ماده موردنظر برای شناسایی را تغییر داد.

3. نتیجه‌گیری

مانند هر فناوری دیگری، همیشه چالش‌هایی وجود دارد که باید با آن‌ها روبه‌رو شد و حوزه نانوحسگرهای شیمیایی نیز از این قاعده مستثنا نیست. برخی از این موارد در کاهش هزینه مواد و دستگاه‌ها و بهبود گزینش‌پذیری، حساسیت، پایداری و تکرارپذیری آن‌هاست. چالش دیگری که با آن مواجه است، بسته‌بندی واقعی آن‌ها و قرار دادن آن‌ها در محصولی است که برای مصرف‌کنندگان مفید است. شاید یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های نانوحسگرهای شیمیایی در تولید واقعی آن‌ها باشد. در آینده، شکی نیست که اکسیدهای فلزی نانوبلوری کلید توسعه حسگرهای گاز نیمه‌رسانا برای نظارت بر محیط‌زیست با بهبود خواص حسگر گاز را تشکیل خواهند داد. نه‌تنها در حسگرهای گاز شیمیایی، بلکه به‌طور کلی در حسگرهای گاز حالت جامد، مواد نانوساختار نقش اساسی و تعیین‌کننده‌ای در حسگرهای گاز نسل جدید خواهند داشت. فناوری نانو در واقع تلاش زیادی را صرف توسعه مواد جدید برای کاربردهای حسگر گاز می‌کنند. برخی از مزایای استفاده از نانوحسگرهای شیمیایی به دلیل اندازه کوچک آن‌ها، به دلیل این واقعیت است که آن‌ها حساسیت بالاتر در تشخیص انواع آلاینده‌های گازی دارند و به انرژی کمتری برای اجرا نیاز خواهند داشت.

انتظار می‌رود که بازار جهانی نانوحسگرها از 85 میلیون دلار در سال 2016 تا 5550 میلیون دلار در سال 2024 رشد کند که این میزان برابر با رشد سالانه 7/68 درصد خواهد بود (7). مزیت رقابتی این نانوحسگرها از جمله قیمت مقرون‌به‌صرفه، دقت بالا و مصرف انرژی پایین از جمله عواملی هستند که چنین رشدی در بازار نانوحسگرها را نوید می‌دهند. پیشرفت در فرایندهای تولید مواد پیشرفته و همچنین ظهور فناوری‌های جدید مثل اینترنت اشیا (که نیاز به طیف وسیعی از حسگرها با دقت بالا دارد) در سال‌های پیش رو فرصت‌های مناسبی را در اختیار تولیدکنندگان نانوحسگرها قرار خواهد داد.

منابع:

1. Javaid M, Haleem A, Singh RP, Rab S, Suman R. Exploring the potential of nanosensors: A brief overview. Sensors International. 2021;2:100130.
2. Santos JP, Sayago I, Aleixandre M. Air quality monitoring using nanosensors. Nanomaterials for Air Remediation: Elsevier; 2020; 9-31.
3. Chen X, Leishman M, Bagnall D, Nasiri N. Nanostructured gas sensors: From air quality and environmental monitoring to healthcare and medical applications. Nanomaterials. 2021;11(8):1927.
4. Pandey S, Mishra SB. Chemical nanosensors for monitoring environmental pollution. Application of nanotechnology in water research. 2014:309-32.
5. http://www. aeroqual.com.
6. http://www.nasa.gov/centers/ames/news/features/2009/cell_phone_sensor.html.
7. https://www.variantmarketresearch.com/report-categories/semiconductor-electronics/nanosensors-market.

[1] Nanoparticles

[2] Nanotubes

[3] Nanorods

[4] Nanobelts

[5] Nanowires

[6] Aeroqual

[7] AerNos

[8] Honeywell

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• نویسنده: معصومه حشم فیروز-شرکت توسعه مهندسی الماس واره دانش (Tamadco.com)

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]

 ====================================================================================