نانو حسگر

نانو حسگر وسیله‏ هایی بسیار ریز هستند که قادرند به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر.

استفاده از علم نوین نانو در محصولات صنعتی رشد روز افزونی دارد. تولید داخلی این محصولات در تولید و صنعت ایرانی نیز شروع شده است.

برای معرفی نانوحسگرها باید گفت که این وسایل، به دلیل ظرافت و اندازه بسیار کوچک خود، بسیار دقیق و حساس هستند و توانایی شناسایی و پاسخ به محرک‌های فیزیکی را دارند. عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتری انجام می‌شود که این امر باعث شده تا دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی داشته باشند و حتی به حضور چند اتم از یک گاز هم واکنش نشان دهند.

در ساخت نانو حسگر، از موادی مانند نانولوله‌ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی استفاده می‌شود که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند.

نانو حسگر و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو، کاربردهای مختلفی دارند. از جمله این کاربردها می‌توان به حوزه‌های مختلفی نظیر حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، بهداشت و سلامت، و نیز حوزه دفاعی اشاره کرد.

لذا با استفاده از نانوحسگرها، امکان ایجاد فناوری‌ها و ابزارهای نوآورانه در صنایع مختلف به منظور بهبود عملکرد و افزایش کارایی و کیفیت زندگی مردم وجود دارد. با دانستن اطلاعات ارزشمند از علم روز می توان به موفقیت در زندگی دست یافت.

انواع نانو حسگر

این تجهیزات انواع مختلفی دارند که شامل حسگرهای شیمیایی و سنتزی می باشد.

نانو حسگر شیمیایی

این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظت‌های بسیارکوچکی از مولکولهای گازی را با حساسیت بسیاربالا آشکارسازی کنند.

حسگرهای شیمیایی گازی برای مثال شامل مجموعه ای از نانولوله‌های تک دیواره هستند و می توانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن وآمونیاک را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت 200ppm از دی اکسید نیتروژن قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% آمونیاک هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانو لوله‌ های تک دیواره ، حساسیت بالا و دردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند.

این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند. در مقاله ای دیگر به تفصیل در خصوص حسگرهای شیمیایی بحث خواهد شد.

نانو حسگر سنتزی

این نانو حسگر از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانو لوله های کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور یا بدون حضور ذرات تهیه می شوند. این تجهیزات اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می شوند.

کاربرد نانو حسگر در محیط زیست

نانو حسگر کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته‏اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

نانوحسگرها از جمله فناوری‌های نوین و پیشرفته‌ای هستند که در زمینه کنترل آلودگی محیط زیست و کاربردهای دیگر، امکانات بسیاری فراهم کرده‌اند. در ادامه به توضیح چند کاربرد از این حسگرهای نانویی در زمینه‌های مختلف علمی پرداخته خواهد شد.

نانو حسگر در کنترل آلودگی هوا:

کنترل آلودگی هوا یکی از چالش‌های اساسی در حفظ محیط زیست است. استفاده از نانوحسگرها باعث پیشرفت چشمگیری در این زمینه شده است. با اختراع نخستین نمونه‌های غبار هوشمند، امکان تولید حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه‌های بسیار سبک به دست آمد. این نانوحسگرها، ذرات بسیار ریزی از سیلیکون هستند که به راحتی در هوا معلق می‌مانند و اطلاعات جمع‌آوری شده را از طریق بی‌سیم به یک پایگاه مرکزی ارسال می‌کنند. این حسگرها قادر به شناسایی میزان آلودگی هوا و ذرات مضر موجود در آن هستند.

نانو حسگر شناسایی نشت گازهای مهلک:

نشت گازهای مهلک به عنوان یکی از خطرات جدی در صنعت مطرح است. با استفاده از حسگرهای نانو تیوب تک لایه که از نانومتری تشکیل شده‌اند، این نوع گازهای سمی شناسایی می‌شوند. این حسگرها قادر به جذب مولکول‌های گازهای مهلک و شناسایی تعداد معدودی از آنها هستند. به علاوه، از این حسگرها می‌توان برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده‌های هوا و مولکول‌های آلی موجود در فضا نیز استفاده کرد.

استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب:

استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب نیز از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست است. این فیلترها معمولاً مولکول‌های بزرگ را از آب جدا می‌کنند و با صرف انرژی کمتر، آب را به خوبی تصفیه می‌کنند. توانایی تصفیه باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفت‌کش‌ها، آلاینده‌های آلی و املاح کلسیم و منیزیم از جمله خصوصیات این نانوفیلترهاست. در مقایسه با روش‌های شیمیایی معمول، این فرایند اثرات منفی زیست‌محیطی کمتری دارد.

تصفیه آلاینده‌های مختلف:

نانوساختارها از دوفلزی‌های مختلف مانند آهن-پالادیم، آهن-نقره و روی-پالادیم برای تصفیه مواد آلی و محیط‌های زیستی بهره‌برداری می‌شود. این ذرات دوفلزی قادر به تبدیل هیدروکربن‌های حاوی ترکیبات کلردار به هیدروکربن‌های بی‌خطر برای محیط زیست می‌شوند. همچنین، تجزیه آلاینده‌های پایدار مانند ترکیبات پرکلرات‌ها، نیترات‌ها، فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو نیز از دیگر کاربردهای نانوساختارها در تصفیه محیط زیست هستند.

استفاده از نانوحسگرها و نانوفیلترها باعث بهبود کارایی در کنترل آلودگی و تصفیه مواد آلوده در محیط زیست می‌شود. این فناوری‌ها با کاهش انرژی مصرفی و تاثیرات زیست‌محیطی کمتر، در جهت حفظ محیط زیست و بهبود کیفیت هوا و آب تأثیرگذار هستند.

نانو پلیمرهای متخلخل

هنگامی که آلاینده‏های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می‏شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می‏شوند. جذب و دفع این گونه آلاینده‏ ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است . این عمل به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای مختلف خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد. هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‏های آلاینده به جسمی متصل می‏شوند که از لحاظ شیمیایی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکولهای مواد آلاینده دارند، مناسب‏ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‏های آلی از آب و خاک به شمار می‏روند. به طور کلی کاربردهای زیست‏محیطی این نانوساختارها عبارتند از:

۱) جداسازی آلاینده‏های آلی از آب آشامیدنی.

۲) تصفیه پسابهای واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‏های هسته‏ای برای استفاده مجدد از آنها

۳) پاکسازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی

۴) پاکسازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده‏های آلی

با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می‏گیرند، بنابراین هزینه‏های تصفیه به مراتب کمتر می‏شود.

کاتالیست‏ های زیست محیطی

از زمینه‏های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‏ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت‏اند. به همین جهت کاتالیزورهای نانوساختاری به عنوان جایگزین ارزان قیمت کاتالیزورهای یاد شده مورد توجه قرار گرفته‏اند.

پلیمرهای زیستی

از نانو ساختارهایی مثل پلیمرهای زیستی می‏توان برای تولید تراشه ‏های الکترونیکی استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریزتراشه ۳۲ مگابایتی، به مصرف ۸۵ گرم سوخت فسیلی و مواد شیمیایی و ۱۶ کیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرایندهای نانو می‏توان شیوه مرسوم در تولید تراشه‏های نیمه هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید. علاوه بر این، استفاده از فناوری نانو منجر به تولید مواد بی خطر به جای مواد سمی می‏شود.

نانو فیلترها

الکل‏هایی مانند اتانول به عنوان حلال یا ماده پاک‏کننده به وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‏گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‏های مختلف را به خود جذب می‏کنند. با توجه به این که دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیانباری بر محیطزیست دارد، باید برای استفاده مجدد تصفیه شوند. روش‏های متداول از قبیل تقطیر، محیط زیست را آلوده و انرژی زیادی را تلف می‏کنند. استفاده از نانوفیلترها گام موثری در حفاظت محیط زیست و صرفه‏جویی انرژی در این زمینه است.

نانو پوشش‏ها

پوشش‏های نانوساختاری پیشرفته به خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می‏چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند. ویژگی بارز این نانوپوششگرها خاصیت ضدخوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیم و منیزیم افزایش داده است. این نانو پوشش ها در مقابل حرارت بسیار مقاومند و می‏توانند دما را تا ۷۰۰ درجه سانتی‏گراد تحمل کنند. استفاده از این نوع پوششگرها منجر به کاهش خوردگی فلزات می‏شود و در نهایت، محیط زیست را با کاهش میزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد.

کاربرد دیگر پوششگرهای نانوساختاری، در حذف گرد و غبار از روی سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک‏کننده‏هاست. این نانوذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل‏ها به کار می‏برند. بدین ترتیب کشش سطحی این سطح نسبت به محلول‏های آبدار به شدت کاهش می‏یابد. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش داده شده را خیس نمی‏کند و به صورت قطراتی روی آن باقی می‏ماند و به سرعت زدوده می‏شود. این عمل فرایند خشک شدن را سرعت می‏دهد. بدیهی است که مصرف مواد شوینده به شدت کاهش می‏یابد و از آلودگی محیطزیست جلوگیری به عمل می‏آید.

نانو پودرها

نانو پودرها موادی به شدت فعال‏اند که در دمای پایین ذوب یا آلیاژ می‏شوند. این پودرها در فرایندهای قالب‏گیری تزریقی و پوشش سطوح مختلف استفاده میشوند . نوعی از پودرهای نانوساختاری یاد شده که حاوی ذرات ریز آلومینیوم هستند، در صورت افزوده شدن به سوخت‏های جامد موشک‏ها ، شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می‏دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و درنتیجه کاهش تولید آلاینده‏ های مختلف می‏شود.

آنچه از توانمندی‏های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می‏توان از این روش‏ها برای حفظ محیط زیست در آینده‏ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری‏های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید.