به گزارش کوتاه کننده لینک، محققان مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ بوک کره جنوبی سنسور گازی پوشیدنی جدیدی توسعه داده اند که می تواند روی ماسک قرار گیرد و گازهای خطرناک موجود در محیط را بصورت لحظه ای شناسایی کند.
به گزارش کوتاه کننده لینک به نقل از مهر، این فناوری با رشد مستقیم دیواره های نانویی گرافن روی الیاف پلیمری، یک ساختار سلسله مراتبی «نانو روی نانو» به وجود می آورد که علاوه بر افزایش سطح تماس حسگر با مولکول های گاز، حرکت این مولکول ها را نیز کنترل می کند و درنتیجه حساسیت حسگر را بیشتر می کند.
سال های اخیر، حسگرهای پوشیدنی به یکی از حوزه های مهم فناوری تبدیل گشته اند. قسمتی از این حسگرها برای پایش وضعیت بدن طراحی می شوند، اما گروه دیگری از آنها وظیفه ای متفاوت دارند: بررسی محیطی که فرد در آن تنفس می کند. چنین حسگرهایی می توانند روی پوست، لباس یا ماسک نصب شوند و وجود گازهای خطرناک را پیش از آنکه غلظت آنها به سطوح نگران کننده برسد، شناسایی کنند.
این قابلیت به ویژه در محیط های صنعتی اهمیت دارد؛ جایی که کارکنان امکان دارد در معرض گازهای سمی یا آلاینده قرار بگیرند. بااین حال، ساخت یک حسگر گازی که بتواند برای مدت طولانی روی ماسک یا سایر تجهیزات پوشیدنی قرار گیرد، کار ساده ای نیست. حسگر باید سبک، انعطاف پذیر و مقاوم باشد و با این وجود اجازه دهد هوا و رطوبت به آسانی عبور کنند. اگر قرار باشد یک حسگر روی ماسک نصب شود، نمی توان برای افزایش حساسیت آن، مسیر تنفس کاربر را هم قربانی کرد. بدن انسان، برعکس بعضی تجهیزات آزمایشگاهی، بطور معمول علاقه ای به مصالحه با طراحی مهندسی ندارد.
گروهی به سرپرستی سونگ وون لی، استاد گروه فیزیک و شیمی مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ بوک، برای حل این چالش به سراغ ترکیبی از نانوالیاف پلیمری و گرافن رفته اند. نتیجه کار، ساخت یک شبکه نانویی سه بعدی است که در آن دیواره های نانویی گرافن مستقیماً روی سطح الیاف پلیمری رشد داده شده اند.
نانوالیاف پلیمری به جهت وزن کم، انعطاف پذیری و قابلیت عبور مناسب هوا، گزینه جذابی برای ساخت حسگرهای پوشیدنی هستند. بااین حال، این مواد یک محدودیت مهم دارند: سطح مؤثر آنها برای برهم کنش با مولکول های گاز محدود است. از جانب دیگر، تولید مستقیم مواد کربنی عملکردی مانند گرافن بطور معمول به دماهای بالا نیاز دارد و این مورد می تواند به ساختارهای پلیمری آسیب بزند.
پژوهشگران برای عبور از این مشکل، روش جدیدی را به کار گرفتند که در آن دیواره های نانویی گرافن با استفاده از رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسمای کم دما، یا CVD پلاسمایی، روی سطح الیاف پلیمری مقاوم به حرارت تشکیل می شوند. استفاده از فرآیند کم دما این امکان را فراهم نمود که دیواره های گرافنی بدون تخریب شکل و ساختار اولیه الیاف رشد کنند.
در این فرایند، دیواره های گرافنی به صورت عمودی روی سطح الیاف قرار می گیرند و درنتیجه ساختاری متراکم اما همچنان متخلخل ایجاد می شود. این معماری نانویی، سطح در دسترس برای تماس با مولکول های گاز را به میزان قابل توجهی بالا می برد، در صورتی که شبکه پلیمری همچنان انعطاف پذیری و قابلیت عبور هوا را حفظ می کند.
اما نکته جالب تر این مطالعه فقط افزایش سطح حسگر نیست. محققان دریافتند که دیواره های نانویی گرافن می توانند حرکت مولکول های گاز را نیز تحت تاثیر قرار دهند. فضای خیلی باریک میان دیواره های گرافنی نوعی اثر محصورشدگی به وجود می آورد که باعث می شود مولکول های گاز برای مدت بیشتری در این فضاها باقی بمانند.
این اتفاق احتمال برخورد مولکول های گاز با سطح گرافن را بیشتر می کند و درنتیجه فرصت بیشتری برای برهم کنش میان ماده حسگر و گاز فراهم می شود. شبیه سازی های انتقال گاز و آزمایش های انجام شده توسط تیم پژوهشی نیز نشان داد که درون ساختار سلسله مراتبی دیواره های گرافنی، مسیر حرکت مولکول ها و تعداد برخوردهای موضعی آنها افزوده می شود.
در نتیجه، حسگر تنها بدین علت عملکرد بهتری ندارد که «سطح بیشتری» در اختیار دارد، بلکه معماری نانویی آن باعث می شود مولکول های گاز مدت بیشتری در نزدیکی سطح فعال باقی بمانند و احتمال برهم کنش آنها با ماده حسگر افزایش پیدا کند. همین رویکرد، یکی از مهم ترین جنبه های نوآورانه این مطالعه به حساب می آید.
پژوهشگران عملکرد ساختار توسعه یافته را برای شناسایی گاز دی اکسید نیتروژن (NO₂) نیز بررسی کردند. دی اکسید نیتروژن یکی از آلاینده های مهم هوا و گازی خطرآفرین است که می تواند در محیط های صنعتی و شهری وجود داشته باشد. نتایج آزمایش ها نشان داد ساختار نانوشبکه گرافنی می تواند عملکرد حسگری را بهبود دهد و امکان شناسایی مؤثرتر این گاز را فراهم آورد.
یکی از مراحل مهم این مطالعه، خارج شدن فناوری از محیط آزمایشگاه و آزمایش آن روی یک بستر پوشیدنی حقیقی بود. تیم تحقیقاتی حسگر توسعه یافته را روی یک ماسک هوشمندنصب کرد و نشان داد که این سیستم می تواند برای پایش طولانی مدت گازها مورد استفاده قرار گیرد، بدون اینکه قابلیت تنفس پذیری و انعطاف پذیری ماسک بشکل قابل توجهی کاهش پیدا کند.
به گفته سونگ وون لی، اهمیت این مطالعه تنها در افزایش سطح تماس حسگر با گازها نیست، بلکه در ارائه یک اصل طراحی جدید برای افزایش عملکرد حسگرهاست؛ اصلی که بجای تمرکز صرف بر افزایش سطح، حرکت خود مولکول های گاز درون ساختارهای نانویی را نیز کنترل می کند.
حرف آخر اینکه قسمتی از این حسگرها برای پایش وضعیت بدن طراحی می شوند، اما گروه دیگری از آنها وظیفه ای متفاوت دارند: بررسی محیطی که فرد در آن تنفس می کند. سنسور باید سبک، منعطف و مقاوم باشد و با این وجود اجازه دهد هوا و رطوبت به سادگی عبور کنند. تیم تحقیقاتی سنسور توسعه یافته را روی یک ماسک هوشمندنصب کرد و نشان داد که این سیستم می تواند برای پایش طولانی مدت گازها مورد استفاده قرار گیرد، بدون این که قابلیت تنفس پذیری و انعطاف پذیری ماسک بشکل قابل توجهی کاهش پیدا کند.
منبع: كوتاه كننده لینك