پژوهشگران کره ای با مهندسی مواد در مقیاس نانو، حسگر گازی ساختهاند که میتواند کوچکترین مقادیر اتانول را در هوا با دقتی بیسابقه تشخیص دهد. این حسگر فوقحساس که انرژی بسیار کمی مصرف میکند، قادر است میزان الکل موجود در بازدم انسان را ردیابی کند.
ساخت نانوحسگری که اتانول را با کمترین مصرف انرژی و بالاترین حساسیت بو میکشد
پژوهشگران از دانشگاه یانسه (Yonsei University) و مؤسسات همکار، نتایج این کار را در نشریه ریزسامانهها و نانو مهندسی (Microsystems & Nanoengineering) و در قالب مقاله ای تحت عنوان «تشخیص فوقحساس اتانول با استفاده از یک حسگر گازی مقاومشیمیایی SnO2 عامل دار شده با نانوصفحههای RuO2» منتشر کردهاند.
نانو معماری یک حسگر فوقکارآمد
این تیم، یک حسگر گازی مجهز به ریزگرمکن (microheater) طراحی کردند که در آن، نانوصفحههای فوقنازک دیاکسید روتنیم بر روی یک لایه نازک از دیاکسید قلع ته نشین شد. این ساختار ترکیبی، امکان تشخیص فوقحساس اتانول را در طیف وسیعی از غلظتها، از جمله سطوح “بخش در بیلیون” (parts-per-billion) فراهم آورد، آن هم در حالی که با توان عملیاتی پایین کار میکرد. فراتر از آزمایشهای آزمایشگاهی، این حسگر توانایی ردیابی همزمان غلظت الکل در بازدم را نیز نشان داد که پتانسیل آن را برای کاربردهای عملی مرتبط با ایمنی و سلامت برجسته میسازد.
نوآوری محوری در این تحقیق، عامل دار کردن (functionalizing) لایه حسگر سنتی اکسید قلع با نانوصفحههای دیاکسید روتنیم در مقیاس تکلایه است. این نانوصفحهها، نسبت سطح به حجم فوقالعاده بالایی و فعالیت کاتالیزوری قوی ارائه میدهند که با هم، واکنشهای اکسیداسیون اتانول روی سطح حسگر را تسریع میکنند. همزمان، برهمکنشهای الکترونی در فصل مشترک بین دو ماده، یک لایه تخلیه الکترونی گسترشیافته ایجاد میکند که تغییرات مقاومت در حضور اتانول را تقویت مینماید. در نتیجه، پاسخ حسگر به اتانول در مقایسه با دستگاه اصلاحنشده، بیش از سه برابر افزایش یافت.
حساسیت خیرهکننده، مصرف انرژی ناچیز
این حسگر بر روی یک بستر غشای معلق (suspended membrane) ساخته شد که یک ریزگرمکن را در خود جای داده بود. این طراحی، اتلاف حرارت را به حداقل رسانده و امکان کار مداوم با توانی کمتر از ۳۰ میلیوات را فراهم کرد. آزمایشهای سیستماتیک، تشخیص قابل اطمینان از ۱۰ بخش در میلیون تا حدود ۵ بخش در بیلیون را نشان داد که این دستگاه را در زمره حسگرهای مقاومشیمیایی اتانول با بالاترین حساسیت گزارششده تاکنون قرار میدهد.
این حسگر همچنین انتخابپذیری بهبودیافتهای در برابر گازهای مزاحم رایج، عملکرد پایدار در طول نزدیک به یک ماه و کارایی تکرارپذیر در چرخههای متعدد حسگری از خود نشان داد. نکته مهمتر، آزمایشهای کنترلشده اثبات کردند که این دستگاه میتواند تغییرات پویا در غلظت الکل بازدم را به صورت همزمان ردیابی کند و با دقت بالا، خوانشهای دستگاه الکلسنج تجاری را تکرار نماید.
کاربردهایی از صنعت تا پزشکی شخصی
این حسگر فوقحساس اتانول، پیامدهایی فراتر از نمایشهای آزمایشگاهی دارد. در محیطهای صنعتی، میتواند هشدار اولیهای در مورد نشت اتانول یا تجمع بخارات آن ارائه دهد و باعث بهبود پیشگیری از آتشسوزی و ایمنی کارگران شود. در حوزه بهداشت و حملونقل، حسگرهای فشرده و کممصرف میتوانند نسل بعدی تحلیلگرهای تنفسی را برای نظارت بر الکل به صورت زنده ممکن سازند و از سیستمهای تشخیص پزشکی و پیشگیری از رانندگی در حالت مستی پشتیبانی کنند.
به طور گستردهتر، راهبرد عاملیتدهی با نانوصفحهها را میتوان به سایر گازهای هدف نیز تعمیم داد. این امر، مسیری چندمنظوره برای توسعه حسگرهای پُربازده جهت نظارت بر محیط زیست، زیرساختهای هوشمند و فناوریهای سلامت پوشیدنی ارائه میدهد. همانطور که پژوهشگران خاطرنشان کردند: «این کار نشان میدهد مهندسی مواد در مقیاس نانو چگونه میتواند محدودیتهای عملکردی حسگرهای گاز متعارف را اساساً تغییر دهد.»
