نانوحسگر

حسگر چیست؟

حسگر یک وسیلهٔ الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه‌گیری می‌کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می‌باشند، ویا به‌طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش‌بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت

ساختار کلی یک حسگر

درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می‌باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونهٔ مورد نظر در یک نمونهٔ پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجهٔ پیوند شدن عنصرحسگر با گونهٔ موردنظر تولید شده‌است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی‌ها تکیه دارند. آنزیمها، گیرنده‌ها یا کل سلول‌ها می‌توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.

خصوصیات حسگرها

یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :
1. سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونهٔ هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3. قدرت تفکیک و گزینش‌پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد. ( درحد میلی‌ثانیه )
6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما، قدرت یونی محیط و …

نانوحسگرها

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دههٔ اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود به‌طوری‌که در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما یا تشعشع حساس‌اند. بالا بردن درجهٔ حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند به‌طوری‌که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.
حسگر یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه‌گیری می‌کند و آن‌ها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی و نیز داخلی می‌باشند یا به‌طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص از خود واکنشهای پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهایی که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک‌تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

انواع نانوحسگرها

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دستهٔ نقاط کوانتومی، نانولوله‌های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می‌شوند:
1.استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:
نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می‌شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی‌کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می‌کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی‌کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. در این عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهندهٔ نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئلهٔ خنک‌سازی آنهاست. برای خنک‌سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک‌سازی الکترونیکی استفاده می‌شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می‌توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.
2. استفاده ازنانولوله‌ها درتولید نانوحسگرها:
نانو لوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می‌توان به استفاده از آن‌ها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.
به‌طورکلی کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می‌توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه‌ای از نانولوله‌های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی‌اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می‌شود، می‌تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.
ب) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:
هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می‌کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملاً ً متناسب است. این اندازه‌گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله‌ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می‌دهد. یا می‌توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصلهٔ میان نانولوله‌های کربنی و سیستم، نانولوله‌های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی‌های دینامیکی نشان می‌دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می‌توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می‌تواند به وسیلهٔ پیوندهای واندروالس روی نانولولهٔ کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله‌ها ی کربنی را نشان می‌دهد. تحقیق در این زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده‌ای نه چندان دور شاهد به‌کارگیری آن‌ها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
3.استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانهٔ کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینهٔ نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

نانوحسگرها و کنترل آلودگی هوا

یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینهٔ کنترل آلودگی هوا صورت گرفته‌است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می‌باشد. غبارهای هوشمند مجموعه‌ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه‌های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعت‌ها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می‌شوند و می‌توانند از طریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله‌های تک لایه ساخته شده‌اند که می‌توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آن‌ها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده‌های هوا کاربرد خواهند داشت.

مبارزه با انتشار گازهای سمی

انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشدار دهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این‌گونه گازهای نشتی می‌شوند. نانوحس‌گرها که از نانوتیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آن‌ها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حس‌گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

جذابیت‌های نانوحسگرها

به‌طور صریح این قبیل مزایای نانوحسگرها باعث شده‌است که به عنوان فرصتی وسوسه‌انگیز برای بازار تلقی شوند. نانوحسگرها به‌طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. همچنین این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شدة آن‌ها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد.
برای مثال اگر قیمت حسگرهای صنعتی متداول امروزی، چند 10 هزار دلار باشند برای نانوحسگرهایی که بتوانند همان کار را انجام دهند به صورت نظری چند 10 دلار برآورد می‌شود. نانوحسگرها همچنین هزینه جاری را نیز کاهش می‌دهند؛ زیرا به‌طور ذاتی برق کمتری مصرف می‌کنند.
درنهایت از آنجایی که نانوحسگرها هزینه‌های خرید و اجرا را کاهش می‌دهند؛ ممکن است به‌کارگیری آن‌ها به صورت آرایه‌ها و توده‌ها مقرون به صرفه باشد و همچنین بتوانند به شکل فراگیر و حتی اضافی در قطعات کاربرد پیدا کنند؛ به‌طوری‌که اگر یک نانوحسگر از کار بیفتد و از مدار خارج شود بتوان از آن صرف نظر کرد و ضریب امنیت در حد مطلوبی باقی بماند، زیرا تعداد زیادی نانوحسگر دیگر در سیستم می‌توانند کار آن را به عهده بگیرند.
در بخش نظامی و امنیت ملی نیز احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آن‌ها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان‌دهندة سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنة هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.
در صنایع اتومبیل می‌توان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران‌قیمت می‌توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد.

آینده‌نگری

می توان انتظار داشت که در آینده با ترکیب محرک‌ها و نانوحسگرها بتوان مواد هوشمندی ساخت که در فرایندهای تولید سیستم‌های پیچیده نقش‌های مهمی ایفا کرده و فناوری جدید دیگری را پایه ریزی کنند. گرچه موانعی مانند افزایش قیمت، اطمینان‌پذیری از تأثیر آن‌ها و نیز اطمینان از کاربرد آن‌ها در زمینه‌های صلح‌آمیز نیز باید از سر راه برداشته شود.