فناوری‌نانو در خدمت تنفس سالم با توسعه حسگرهای آلودگی هوا

پایش آلودگی هوا در آستانه یک چرخش فناورانه جدی است؛ تغییری که نه از مسیر سیاست‌گذاری‌های کلاسیک، بلکه از دل نانوساختارهایی می‌آید که می‌توانند ردّ آلاینده‌ها را در مقیاسی نزدیک به یک‌در‌میلیارد دنبال کنند. توسعه حسگرهای گازی و شیمیایی مبتنی بر فناوری نانو باعث شده تشخیص ترکیبات خطرناک، یون‌های فلزی، گازهای سمی و VOCها با دقتی انجام شود که تا چند سال پیش فقط در مقالات علمی دیده می‌شد. این نسل تازه از حسگرها، که بر پایه نانوذرات فلزی، اکسیدهای فلزی نانوبلوری، نانولوله‌های کربنی و پلیمرهای رسانا ساخته می‌شود، کوچک، کم‌مصرف و قابل‌ادغام با زیرساخت‌های شهری و ابزارهای هوشمند هستند. هم‌زمان، موجی از سرمایه‌گذاری جهانی و رقابت شرکت‌های بزرگ، بازار نانوحسگرها را تا مرز میلیاردها دلار رسانده و آن را به یکی از عناصر کلیدی مدیریت آلودگی هوا در دهه آینده تبدیل کرده است.

پایش آلاینده‌های هوا، که سال‌ها یکی از چالش‌های جدی سلامت و محیط‌زیست به‌شمار می‌رفت، اکنون در آستانه تغییر  قرار دارد. توسعه حسگرهای گازی و شیمیایی مبتنی بر فناوری‌نانو، قابلیت‌هایی را فراهم کرده که تا یک دهه پیش تنها در سطح آزمایشگاهی قابل تصور بود: دقت بالا در تشخیص آلاینده‌ها، عملکرد در غلظت‌های بسیار پایین، مصرف انرژی اندک و اندازه‌ای که امکان تلفیق آن با کوچک‌ترین ابزارهای هوشمند را ممکن می‌سازد. رشد چشمگیر استفاده از این حسگرها در صنایع، شهرهای هوشمند، سیاست‌گذاری زیست‌محیطی و حتی تجهیزات همراه، زنجیره جدیدی از فناوری‌های پایش کیفیت هوا را شکل داده است. هم‌زمان، شرکت‌های بین‌المللی با ورود به تولید نانوحسگرهای گاز، رقابت تازه‌ای را آغاز کرده‌اند و در حالی که بازار جهانی این فناوری تا ۲۰۲۴ به میلیاردها دلار می‌رسد، اهمیت آن برای مدیریت آلودگی هوا بیش از هر زمان دیگر برجسته شده است.

کاربرد فناوری نانو در صنعت ساخت حسگرهای آلودگی هوا طی سال‌های اخیر به یکی از  روندهای مهم حوزه محیط‌زیست تبدیل شده است. رشد فعالیت‌های صنعتی، افزایش مصرف سوخت‌های فسیلی و گسترش شهرنشینی، مجموعه‌ای از آلاینده‌ها را وارد جو کرده که شامل یون‌های فلزات سنگین، ترکیبات آلی فرار، گازهای سمی، آفت‌کش‌ها و ذرات معلق است. اثر این آلاینده‌ها تنها به محیط‌زیست محدود نیست و پیامدهایی همچون باران اسیدی، اثر گلخانه‌ای، تخریب لایه اوزون و تهدید سلامت انسان از نتایج مستقیم این روند به شمار می‌رود. این وضعیت، ضرورت توسعه ابزارهای دقیق برای پایش هوا را بیش از گذشته نمایان کرده است.

با پیشرفت فناوری نانو، نسل جدیدی از حسگرهای شیمیایی و گازی توسعه یافته که قادرند کوچک‌ترین تغییرات در ترکیبات شیمیایی هوا را در کسری از ثانیه تشخیص دهند. نانوحسگرها که از نانوساختارهایی مانند نانوذرات، نانولوله‌های کربنی، نانولایه‌ها و نانومیله‌ها ساخته می‌شوند، در مقایسه با حسگرهای متداول، حساسیت بسیار بالاتر و محدوده تشخیص کم‌تری دارند و می‌توانند آلاینده‌ها را در غلظت‌های بسیار پایین‌ حتی در سطح ppb (یک در میلیارد) شناسایی کنند. این ویژگی آن‌ها را به ابزارهای کلیدی سیاست‌گذاری در حوزه کیفیت هوا تبدیل کرده است.

یکی از دلایل کارآمدی این حسگرها، نسبت سطح به حجم بالای نانومواد است. این ویژگی، امکان تعامل گسترده‌تر مولکول‌های گاز با سطح حسگر را فراهم کرده و باعث افزایش دقت و سرعت پاسخ‌گویی شده است. افزون بر این، طراحی نانوساختاری حسگرها امکان تولید دستگاه‌هایی بسیار کوچک، ارزان و کم‌مصرف را ایجاد کرده که می‌توان از آن‌ها در صنایع، تجهیزات هوشمند شهری، دستگاه‌های قابل حمل، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و حتی ابزارهای شخصی مانند ساعت‌های هوشمند استفاده کرد.

انواع نانوحسگرها

در میان فناوری‌های مختلف، چهار گروه از نانوحسگرها بیشترین کاربرد را در صنعت پایش آلودگی هوا دارند:

۱. حسگرهای گاز بر پایه نانوذرات فلزی:

این حسگرها از نانوذراتی مانند طلا، نقره، مس و پالادیوم بهره می‌برند که رسانایی الکترونی آن‌ها در حضور گازهای مختلف تغییر می‌کند. جذب مولکول‌های آنالیت روی سطح نانوذره باعث تغییر ویژگی‌های الکتریکی حسگر شده و امکان تشخیص گاز را فراهم می‌کند. پراکندگی نانوذرات روی بستر حسگر، نسبت سطح به حجم را افزایش داده و حساسیت دستگاه را چند برابر می‌کند.

۲. حسگرهای مبتنی بر اکسیدهای فلزی نانوساختار:

ترکیباتی مانند SnO₂، ZnO و In₂O₃ از رایج‌ترین مواد برای ساخت حسگرهای گاز هستند. این نیمه‌رساناها هنگام تماس با گاز، رسانایی الکتریکی خود را تغییر می‌دهند. هرچه ابعاد نانومواد کوچک‌تر باشد، سطح تماس با گاز افزایش یافته و حساسیت حسگر تقویت می‌شود. بسیاری از دستگاه‌های پایش گاز صنعتی بر پایه همین دسته ساخته می‌شوند.

۳. حسگرهای مبتنی بر نانولوله‌های کربنی:

نانولوله‌های کربنی به دلیل ساختار منحصر‌به‌فرد، پاسخ بسیار سریع، مصرف انرژی کم و عملکرد در دمای اتاق، گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت حسگرهای قابل حمل هستند. این مواد قادرند غلظت‌های بسیار پایین از گازهایی مانند NO₂ و CO را شناسایی کنند.

۴. حسگرهای گاز بر اساس پلیمرهای رسانا:

پلیمرهایی مانند پلی‌آنیلین، پلی‌تیوفن و پلی‌پیرول به‌عنوان لایه فعال برخی حسگرها به‌کار می‌روند. این حسگرها در دمای اتاق عمل کرده و زمان پاسخ کوتاهی دارند، اما مشکل اصلی آن‌ها پایداری کمتر و گزینش‌پذیری محدود است. ترکیب پلیمرها با نانومواد کربنی و فلزی برای بهبود عملکرد، یکی از راهکارهای نوین در این حوزه است.

شرکت‌های فعال در توسعه نانوحسگرها

بازار جهانی نانوحسگرها طی دو دهه اخیر با شتاب چشمگیری رشد کرده است. شرکت‌های پیشرو در این حوزه شامل:

شرکت آیروکوال (Aeroqual) از نیوزیلند که از سال ۲۰۰۱ به تولید تجهیزات پایش کیفیت هوا مشغول است و در محصولات خود از نانوحسگرهای گاز مانند CO، SO₂ و H₂S استفاده می‌کند.

سازمان فضایی آمریکا (NASA) نیز با توسعه مجموعه‌ای از ۶۴ نانوحسگر برای پایش ذرات معلق، امکان کاربرد این فناوری در تجهیزات قابل حمل و حتی دستگاه‌های متصل به تلفن همراه را فراهم کرده است.

شرکت آرنوس (Aernos) از دیگر پیشگامان حوزه حسگرهای گازی است که با فناوری AerN2S حسگرهایی با قابلیت تشخیص ازن، فرمالدهید، دی‌اکسیدنیتروژن و VOCها در مقیاس ppb تولید می‌کند.

شرکت هانیول (Honeywell) نیز به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین سازندگان تجهیزات سنجش صنعتی، بخش چشمگیری از بازار حسگرهای گاز را در اختیار دارد و در گزارش‌های تحلیلی آینده، از بازیگران کلیدی نانوبازار حسگرها معرفی شده است.

وضعیت داخلی

در ایران، با وجود توان علمی مناسب، هنوز شرکت‌های نانویی به صورت تخصصی در حوزه نانوحسگرهای تشخیص آلودگی هوا فعالیت ندارند. با این حال برخی پژوهش‌های دانشگاهی به توسعه نمونه‌های آزمایشگاهی منجر شده است؛ از جمله نانوحسگر تشخیص آلاینده‌ها مبتنی بر خاصیت پیزوالکتریک معکوس در دانشگاه تبریز که قادر است گازها و ذرات معلق را در حد نانوگرم شناسایی کند. دستاوردهای دیگری نیز در این حوزه در داخل کشور ارائه شده که می‌تواند در مسیر تجاری سازی قرار گیرد.

با افزایش نیاز جهانی به پایش دقیق آلاینده‌ها و گسترش فناوری‌های هوشمند، انتظار می‌رود بازار نانوحسگرها تا سال ۲۰۲۴ به ارزش بیش از پنج و نیم میلیارد دلار برسد. دقت بالا، اندازه کوچک، مصرف انرژی پایین و قابلیت کار در غلظت‌های بسیار کم، این حسگرها را به یکی از ستون‌های اصلی مدیریت آلودگی هوا در دهه آینده تبدیل خواهد کرد. روندهای صنعتی و فناورانه نشان می‌دهد که نانومواد، به‌ویژه اکسیدهای فلزی نانوبلوری، نقش محوری در نسل آینده حسگرهای گاز خواهند داشت و توسعه آن‌ها، مسیر تازه‌ای برای ارتقای کیفیت هوای شهرها و صنایع فراهم خواهد کرد.