کاربرد فناوری نانو در حسگرهای ساختمانی و صنایع وابسته

نانو­مواد به موادی گفته می‌شود که حداقل یکی از ابعاد آن­ها در مقیاس نانومتری (زیر 100 نانومتر) باشد. کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آن­ها می‌شود. بنابراین ­فناوری نانو به بحث درباره تغييرات خواص مواد هنگامي­كه اندازه ذرات كوچكتر از 100 نانومتر است، مي‌پردازد.

نانوحسگرها

یکی از کاربردهای نانومواد استفاده از آن‌ها در ساخت حسگرها است. حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهایی که بشر ساخت به حساب آورد. اندازه‌گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه‌های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است.

 

نانوحسگر وسیله‏ای است بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس، که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی است. گستره عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتر است، به همین دلیل از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند؛ به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.

• بیشتر از نانولوله‌ها، نانوذرات ‌فلزی و نانوذرات مغناطیسی برای ساخت حسگرها استفاده می‌شود.

نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی و دفاعی دارند.

 

نانوحسگرها در صنعت ساختمان

 

 

از حس‌گرهای ریزمقیاس و ابزار و تجهیزات مبتنی بر ریزحس‌گرها، در صنعت ساختمان به دو‌منظور استفاده می‌شود:

• پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی، مانند:  دما، گاز، دود، رطوبت
• پایش عملکرد مصالح و عناصر سازه‌ای ، مانند: تنش، کرنش، فشار، ارتعاش و فرسایش

فناوری نانو، توسعه‌ی حس‌گرهای بسیار ریز، با بازدهی و کارایی بالاتر و حوزه‌های کاربردی بیشتر را ممکن ساخته است. در زیر به توضیح بیشتری در خصوص کاربرد نانوحسگرها در صنعت ساختمان پرداخته شده است.

• پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی

 

متداول‌ترین سنسوری که به‌منظور پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی در ساختمان استفاده می‌شود، سنسورهای گازی هستند که در زیر به تعریف و سازوکار آن ها پرداخته شده است.

 

• سنسورهای گازی شیمیایی

یک سنسور گازی شیمیایی مبدلی است که مولکول‌های گاز مورد شناسایی را آشکار می‌کند و معمولا یک سیگنال الکتریکی متناسب با مقدار گاز تولید می‌کند. شماتیک یک سنسور گازی شیمیایی در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 1: سنسور شیمیایی با ماده مورد تجزیه در فصل مشترک واکنش می‌دهد]2[.

امروزه با بهره‌گیری از فناوری نانو در عرصه ساخت سنسورهای شیمیایی نتایج بهتری در آشکارسازی گونه‌های شیمیایی مختلف به‌دست آمده است. عموماً واکنش‌های سنسورهای گازی در دماهای بالا (C˚600-150) رخ می‌دهند، به‌همین دلیل به سنسورهایی نیاز است که برای راندمان بیشتر بتوانند از داخل گرم شوند تا دمای مورد نیاز برای واکنش با گاز را تامین نمایند. به‌علاوه برای به حداکثر رساندن واکنش‌های سطح، نیاز به نسبت سطح به حجم خیلی بالا است، که مواد نانو به‌دلیل سطح ویژه بالا بسیار مطلوب هستند.

در شکل زیر اثرات اندازه ذرات بر واکنش سنسور NO_x نشان داده شده است. سنسورهای درشت دانه از پودرهای تجاری با ابعاد میکرومتر و سنسورهای ریزدانه از پودرهایی با ابعاد نانو ساخته شده‌اند.

شکل 2: مقایسه واکنش سنسورهای ساخته شده از پودرهای با اندازه میکرو و نانو]2[.

در شکل زیر عملکرد نمونه‌ای دیگر از سنسور گازی نشان داده شده است. قسمت حساس این حسگرها شامل میکروالکترودهای پوشش داده شده با ترکیبات مختلفی مانند فیلم‌های پلیمری، نانوذرات طلا، پلاتین، نانولوله‌های کربنی و … هستند. پاسخ دستگاه بر اساس اندازه‌گیری تغییر مقاومت بین میکروالکترودها، طی عبور و جذب بخار آنالیت[1] (ماده مورد تجزیه) از سطح میکروالکترودها و برهم‌کنش با لایه پوشش داده شده روی آن نسبت به عبور یک گاز شاخص مانند نیتروژن ثبت می‌شود. جذب بخار آنالیت سبب تورم لایه حاوی نانوذرات (یا سایر نانومواد هادی پوشش‌دهنده سطح میکرو الکترود) شده و تغییر مقاومتی را ایجاد می‌کند که در محدوده‌های مختلفی به غلظت آنالیت وابسته است.

 

شکل 3: نمونه‌ای از سازوکار حسگرهای شیمیایی مبتنی بر نانوخوشه‌های طلا

شکل 4: نمونه‌ای از سنسورهای گازی در ابعاد و اشکال مختلف

نانوذرات اکسید روی(ZnO)، نانولوله‌های تیتانیوم اکسید(TiO2)، نانومیله‌های اکسید‌ایندیوم ( In2O3)، دی‌اکسید قلع (SnO2) و تری‌اکسید تنگستن (WO3) نمونه‌ای از نانوحسگرهای اکسیدهای فلزی نیمه‌هادی هستند. عكس العمل اكسيدهاي فلزي نيمه هادي نسبت به گازها، افت مقاومت الكتريكي آن ها (افزايش هدايت الكتريكي) است ]3[.

 نانوحسگرهای اکسیدهای فلزی نیمه‌هادی

 

 

 

مثال‌هایی از کاربرد نانوحسگرهای گازی

• نانولوله‌های کربنی

یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها می باشد. تحقیق در زمینه کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد به‌کارگیری آن‌ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند.

این سنسورها، به دليل خواص فیزیکی و الکتریکی منحصر بفرد نانولوله های کربنی، درمقايسه با سنسورهاي گاز قديمي حساسيت بالاتري دارند و توانايي آشكارسازي مقادير بسيار اندك حدود چندppb [2](در هر یک میلیاردم) ازگازهاي مختلف مانند دي اكسيد كربن، مونواكسيد كربن، آرگون و … را دردماي اتاق دارا مي‌باشند. نانولوله‌های كربنی به دليل هندسه منحصر بفرد و نسبت سطح به حجم بالاي خود، براي جذب سطحي مولكولهاي گاز بسيار ايده آل هستند. دي اكسيد نيتروژن NO₂ گازي سمي و بي رنگ است كه درصورت بالا بودن غلظت آن درهوا مي‌تواند موجب مسموميت شود. در سنسورهای گازی نانولوله‌های كربنی، رابطه بين رسانايي نانولوله‌های كربنی و تغييرات ميزان غلظت گاز ورودي موجود درمحيط مي‌تواند با دقت مناسب، براي آشكارسازي گاز ورودي به كار رود.

• سنسورهای گازی نانولوله‌های کربنی، ابزاری مناسب با حساسیت بالا، مصرف کم و قیمت پایین‌ می‌باشند.

شکل 5: شمایی از عملکرد نانولوله کربنی در سنسور گازی برای تشخیص گاز آمونیا(NH₃) ]4[.

محققان با استفاده از نانولوله‌های کربنی موفق به ساخت حسگری شدند که قادر به شناسایی گازهای سمی نظیرآمونیاک، پراکسیدهیدروژن، سیکلوهگزان و دیگر گازها است. این حسگر قابلیت استفاده در تلفن‌های هوشمند را داراست. این حسگر قیمت بسیار پایینی دارد و بی‌نیاز از سیم و منبع تولید انرژی است،  بنابراین می‌توان از آن در هر کجایی استفاده کرد. این تحقیق توسط پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست(MIT) انجام گرفته است]5[.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• نانوذرات اکسید روی

ZnO يكي از اولين و پر كاربردترين اكسيدهاي فلزي مورد استفاده قرار گرفته در ساخت حسگرها است. اين ماده در دماهاي متوسط و نسبتاً بالا 500-400 نسبت به بسياري از گازها حساسيت خوبي را از خود نشان مي‌دهد. از جمله گازهايي كه حساسيت حسگر ZnO نسبت به آن ها بررسي شده است مي‌توان به هيدروژن، مونوكسيد كربن، متان، اتانول، پروپانول، آمونياک، اكسيژن، تري متيل آمين، بنزن، استون و تولوئن اشاره كرد.

 

شکل 6: تصویر میکروسکوپ الکترونی نانومیله‌های اکسیدروی استفاده شده در یک سنسور گازی

 

نانومیله‌های  ZnOمیزان حساسیت متفاوتی را نسبت به گازهای مختلف از خود نشان می‌دهند. در شکل زیر این تفاوت برای گازهای آمونیاک، مونوکسیدکربن و متان با غلظت‌های یکسان 10 ppm)[3] ) نشان داده شده است.

شکل 7: مقایسه بین میزان حساسیت نانومیله‌های اکسیدروی به گازهای مختلف

 

 

ü    حساسیت بیشتر نانوحس‌گرها نسبت به حسگرهای متداول ü    امکان انتخابی و گزینش بهتر فرایند حسگری ü    کاهش هزینه‌های تولید ü    کاهش مصرف انرژی ü    افزایش پایداری محیط زیست

مزایای حسگرهای نانو

 

 

 

 

 

 

 

 

• پایش عملکرد مصالح و عناصر سازه‌ای

ایمنی عملکردی سازه‌ها و دیگر تسهیلات مهندسی، به‌وسیله عواملی از جمله فساد و تباهی سازه (برای مثال، فرسایش) و آسیب دیدگی (مانند ترک خوردن) تهدید می‌شود. پایش سلامت سازه، مهندسان ساختمان را برآن داشته تا حس‌گرها و الگوریتم‌هایی به این منظور تدارک ببینند تا بتوانند ازهم‌پاشیدگی و تنزل کیفیت سازه را به‌موقع تشخیص داده و اقدامات اصلاحی سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر را درباره آن‌ها انجام دهند.

حسگرهای مبتنی بر فناوری نانو نیز می‌توانند به نوبه خود كاربردهای زیادی در سازه های بتنی داشته باشند؛ برای كنترل كیفیت و دوام بتن، این حسگرها می‌توانند برای هدف‌های مختلفی نظیر اندازه گیری چگالی، میزان افت بتن و پارامترهای موثر در دوام بتن مانند: دما، رطوبت، تنش، خوردگی میلگردها و ارتعاشات طراحی شوند.

 

• سنگ‌دانه‌های هوشمند در بتن

سنگ‌دانه‌ها و غبارهای هوشمند در واقع تجهیزات چند‌منظوره‌ای هستند که بر اساس سرامیک‌های پیزوالکتریک[4] ساخته می‌شوند. این سنگ‌دانه‌ها، که انرژی مکانیکی اعمال شده بر خود را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند، ابزار مناسبی برای پایش ویژگی‌های بتن تازه ریخته‌شده هستند. ویژگی‌هایی از قبیل رطوبت درونی، دما، رطوبت نسبی و رشد مقاومت اولیه در بتن را می‌توان به کمک این ذرات نانومقیاس سرامیکی که در حقیقت نوعی شبکۀ یکپارچه و فراگیر بی‌سیم را برای انتقال داده‌ها در سرتاسر بتن شکل می‌دهند، مورد سنجش و بررسی مداوم قرار داد. این سنگ‌دانه‌ها که نقش حسگر را ایفا می‌کنند، می‌توانند فرسایش و ترک‌خوردگی بتن را نیز پایش کنند. این سنگ‌دانه‌ها، نه‌تنها برای پایش سلامت بتن مورد استفاده واقع می‌شوند، بلکه می‌توان به کمک آن‌ها سلامت کلی سازه را نیز مورد بررسی و کنترل مداوم قرار داد. به کمک این نانوحسگرهای هوشمند در قالب سنگ‌دانه، پایش ویژگی‌های درونی بتن از قبیل تنش‌های داخلی، ترک و دیگر نیروهای فیزیکی، در طول عمر مفید سازه میسر می‌شود.

این حسگرها فقط نقش اعلام وضعیت بحرانی را عهده‌دار نیستند، بلکه هشداری زودهنگام و به‌موقع را برای مهندسان، پیش از آنکه سازه آسیب دیده و به مرحله گسیختگی برسد، انجام می‌دهند.

• سیستم هوشمند ساختمان

از حس‌گرها نه تنها برای پایش سلامت سازه و مصالح استفاده می‌شود، بلکه در کاربردهای گوناگون معماری نیز حس‌گرها، وظیفه پایش کیفیت و کارایی عملکردهای اصلی بنا و سطح آسایش ساکنان بنا را بر عهده دارند. سیستم هوشمند ساختمان یک شبکه متمرکز و برنامه‌پذیر برای مدیریت و نظارت یکپارچه سیستم‌های امنیت ، کنترل روشنایی، تهویه مطبوع، سیستم های رفاهی و تردد ساختمان است. وظایف این سیستم‌های هوشمند ساختمانی، مدیریت و صرفه جویی در مصرف همه انرژی‌ها شامل سرمایش و گرمایش، مصرف برق و گاز و تامین امنیت ساختمان مانند اعلام نشت گاز، اطفاء حریق و سرقت است. به عنوان مثال اگر نشتی گاز در ساختمان صورت بگیرد، سنسورهای حساس به این گاز به وسیله شماره تلفن تعریف شده با تماس یا دادن پیام هشدار این موضوع را اطلاع رسانی می‌کنند. همچنین زمانی که شخص از برنامه خروج چند روزه از منزل استفاده می‌کند، این سیستم به طور اتوماتیک شیرهای گاز ورودی ساختمان را قطع می‌کند. سیستم‌های حرارتی و برودتی نیز خاموش و پیش‌بینی‌های دیگر اجرا می‌شود. همچنین از حس‌گرها می‌توان در طراحی فضاهای مناسب برای افراد معلول و سالمند نیز استفاده کرد. حس‌گرهایی که به صوت یا حرکات خاصی واکنش نشان می‌دهند و برای مثال با حرکت دست یا گفتن عبارتی خاص، چراغ‌ها روشن یا خاموش می‌شوند و دیگر نیازی به طی مسافت توسط فرد معلول برای انجام این کار نباشد.

شکل 8 :  استفاده از سیستم هوشمند در ساختمان.

با استفاده از سنسورها و کاربرد آ‌ن‌ها در بخش‌های مختلف ساختمان می‌توان دما، رطوبت، گرما، سرما و… را در کنترل داشت و بهینه‌ترین حالت عملیاتی با توجه به نوع فضای کاربردی، زمان، دما و اشخاص در محل استفاده شود.

• آینده فناوری‌نانو در حسگرها

فناوری نانو، قادر به اصلاح و بهبود قابلیت‌های سنسورها و گسترش انواع جدیدی از آن‌ها است. در چند سال اخیر ساخت تجهیزات و سیستم‌های نانو و بهره‌گیری از فناوری نانو در زمینه‌های گوناگون آغاز شده است و توسعه و پیشرفت آن‌ها، آینده روشنی را رقم می‌زند. تا سال 2020، احتمالاً چندین عنوان از فناوری های نانو که در اوایل قرن21 ظهور یافته‌اند، در محصولات و کاربردهای تجاری وارد خواهند شد. تا آن زمان، گروه های جدیدی از حسگرها که هزینه پایینی داشته و به راحتی می‌توان از آن‌ها در ساختمان‌ها و تأسیسات زیربنایی استفاده کرد، صورت کاربردی به خود خواهند گرفت.

• پتنت

به‌منظور تعیین سیر اختراعات ارائه شده در زمینه‌ی کاربرد نانوتکنولوژی در حسگرها، پتنت‌های ارائه شده در این زمینه بررسی شدند. به‌طور کلی 189 پتنت مربوط به نانوحسگرها در زمینه‌های مختلف ثبت شده است که بیشترین تعداد از این مقدار مربوط به نانوحسگرهای گازی است که از نانومواد مختلفی برای ساخت آن‌ها استفاده شده است. از این تعداد پتنت 36% مربوط به بعد از سال 2010 و حدود نیمی از آنها مربوط به سال‌های 2006 تا 2010 می‌باشد.

 

منابع

[1] www.nano.ir

[2] Stephanie A. Hooker, “Nanotechnology Advantages Applied to Gas Sensor Development”, 2002.

[3] Giselle Jime´nez-Cadena, Jordi Riu* and F. Xavier Rius, The Royal Society of Chemistry 2007.

 

[4] Elnaz Akbari, Zolkafle Buntat, Mohd Hafizi Ahmad, Aria Enzevaee, Rubiyah Yousof , Sensors ,2014.

[5] www.nanotech-now.com

 

 

]6[ مصطفی نجفی، امیر اعظم باغبانان، نانوحسگرهای گازی برای آشکارسازی مواد منفجره،1390.

 

]7[ دکتر محمود گلابچی، نانوفناوری در معماری و مهندسی ساختمان، 1390.

 

 

[1] Analyte

  [2]per- part- billion

parts per million  [3]

[4] piezoelectric

———————————————————————

بخش ترویج صنعتی 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 دسترسی به 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]

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