پژوهشگران دانشگاه آریزونا موفق شدهاند از نانونوارهای گرافنی برای ساخت حسگرهایی استفاده کنند که در برابر تابش شدید پرتو گاما همچنان عملکرد خود را حفظ میکنند. این دستاورد میتواند یکی از موانع مهم توسعه نیروگاههای همجوشی هستهای را برطرف کرده و راه را برای سامانههای پایش هوشمند در راکتورهای همجوشی و مأموریتهای فضایی هموار سازد.
ساخت نانوحسگری که از تشعشعات جان سالم به در میبرد
پژوهشگران دانشگاه آریزونا (University of Arizona) کاربرد تازهای برای نانونوارهای گرافنی (Graphene Nanoribbons یا GNRs) معرفی کردهاند؛ مادهای نیمهرسانا در مقیاس نانو که میتواند در محیطهایی با تابش بسیار شدید نیز عملکرد خود را حفظ کند. این دستاورد، که نتایج آن در نشریه ایسیاس اپلاید متریالز اند اینترفیسز (ACS Applied Materials & Interfaces) منتشر شده است، میتواند یکی از چالشهای مهم مسیر تجاریسازی انرژی همجوشی هستهای را برطرف کرده و به توسعه سامانههای پایش پیشرفته برای نیروگاههای آینده و همچنین تجهیزات فضایی کمک کند.
در این پژوهش، گروه تحقیقاتی به سرپرستی ظفر موتلو (Zafer Mutlu)، استادیار مهندسی و علم مواد دانشگاه آریزونا، نانونوارهای گرافنی را درون ادوات نیمهرسانا قرار دادند و آنها را در معرض تابش پرتو گاما قرار دادند. نتایج نشان داد این ساختارهای نانومقیاس پس از دریافت دوز بالای تابش همچنان قادر به فعالیت هستند، اما ویژگیهای الکتریکی آنها بهطور محسوسی تغییر میکند؛ رفتاری که برای یک حسگر تابش، کاملاً مطلوب و کاربردی است.
به گفته ظفر موتلو، «ادوات ساختهشده پس از قرار گرفتن در معرض پرتو گاما همچنان سالم باقی میمانند و به تابش پاسخ میدهند، اما عملکرد الکتریکی آنها بهشدت تغییر میکند. دقیقاً همین ویژگی است که از یک حسگر انتظار داریم.»
یکی از مهمترین کاربردهای این فناوری، استفاده در راکتورهای همجوشی هستهای است؛ فناوریای که بسیاری آن را آینده تولید برق پاک، پایدار و تقریباً نامحدود میدانند. در این راکتورها، دیوارهای موسوم به دیواره نخست در نزدیکترین فاصله با پلاسمای فوقداغ قرار دارد و از ساختار اصلی راکتور در برابر شرایط بسیار سخت محافظت میکند. این بخش بهطور مداوم در معرض تابشهای شدید قرار دارد و به مرور زمان فرسوده میشود؛ از این رو، پایش مداوم وضعیت آن برای حفظ ایمنی و عملکرد راکتور ضروری است.
امروزه مهندسان برای ارزیابی وضعیت این دیواره با محدودیت مهمی روبهرو هستند. حسگرهای متداول مبتنی بر سیلیکون توان تحمل چنین شرایطی را ندارند و ناچارند در فاصلهای دورتر از هسته راکتور نصب شوند. در نتیجه، اطلاعات مربوط به وضعیت دیواره نخست بهصورت غیرمستقیم جمعآوری میشود و بررسی دقیق آن معمولاً پس از خاموش شدن راکتور انجام میگیرد؛ فرآیندی که علاوه بر هزینههای سنگین، موجب توقف تولید انرژی نیز میشود.
اما نانونوارهای گرافنی میتوانند این وضعیت را تغییر دهند. آزمایشهای پژوهشگران نشان داد اگرچه تابش گاما تغییرات قابل اندازهگیری در پاسخ الکتریکی این مواد ایجاد میکند، اما چارچوب اتمی آنها همچنان دستنخورده باقی میماند. این ویژگی نشان میدهد که در آینده میتوان حسگرهای مبتنی بر نانونوارهای گرافنی را بسیار نزدیکتر به هسته راکتور نصب کرد؛ جایی که حسگرهای سیلیکونی قادر به ادامه فعالیت نیستند.
در صورت تحقق این هدف، امکان پایش لحظهای وضعیت دیواره نخست فراهم خواهد شد. چنین قابلیتی میتواند تعداد دفعات خاموش شدن راکتور برای انجام بازرسیهای دورهای را کاهش دهد، هزینههای تعمیر و نگهداری را پایین بیاورد و زمان بهرهبرداری نیروگاههای همجوشی را افزایش دهد.
به گفته پژوهشگران، هدف نهایی این پروژه دستیابی به سامانهای برای پایش برخط وضعیت راکتور است؛ سامانهای که بتواند بدون نیاز به توقف فعالیت نیروگاه، سلامت بخشهای حساس را بهصورت پیوسته زیر نظر داشته باشد.
این نخستین پژوهشی است که رفتار نانونوارهای گرافنی را در برابر تابش پرتو گاما بررسی میکند، اما این مواد پیش از این نیز بهعنوان یکی از امیدبخشترین گزینهها برای جایگزینی سیلیکون در نسل آینده تراشههای الکترونیکی شناخته میشدند. ابعاد بسیار کوچک، پایداری بالا و ویژگیهای الکترونیکی منحصربهفرد این ساختارها میتواند به تولید تراشههایی سریعتر و کممصرفتر برای کاربردهایی مانند هوش مصنوعی، تلفنهای هوشمند و سامانههای پردازشی پیشرفته منجر شود.
در این پژوهش، اعضای گروه تحقیقاتی نانونوارهای گرافنی را از سطح مولکولی سنتز کردند. آنها با استفاده از روشهای ساخت پیشرفته موفق شدند نوارهایی با عرض دقیق ۹ اتم، ضخامت تنها یک اتم و طول متوسط حدود ۴۵ نانومتر تولید کنند؛ ساختارهایی که دهها هزار بار نازکتر از قطر یک تار موی انسان هستند.
در چنین ابعاد کوچکی، رفتار ماده دیگر از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمیکند و پدیدههای کوانتومی نقش تعیینکنندهای پیدا میکنند. پژوهشگران دریافتند که هنگام عبور پرتو گاما از هوای اطراف، مولکولهای فعالی تشکیل میشوند که لبههای نانونوارهای گرافنی را اندکی تغییر میدهند، بدون آنکه ساختار کلی آنها آسیب ببیند.
همین تغییرات بسیار کوچک، به دلیل اثرات کوانتومی، تأثیر بزرگی بر انتقال جریان الکتریکی درون نانونوارها میگذارد. پژوهشگران معتقدند این تغییرات موجب فعال شدن پدیدهای کوانتومی به نام موضعیسازی اندرسون (Anderson Localization) میشود؛ پدیدهای که در آن الکترونهای حامل بار در نقاط مشخصی به دام میافتند و در نتیجه جریان الکتریکی بهشدت کاهش مییابد. این افت جریان، در واقع همان سیگنال قابلاندازهگیری ناشی از تابش است که میتواند اطلاعات دقیقی درباره میزان آسیب ناشی از پرتوها در اختیار مهندسان قرار دهد.
اهمیت این فناوری تنها به نیروگاههای همجوشی محدود نمیشود. پژوهشگران معتقدند همین حسگرها میتوانند در سامانههای فضایی نیز نقش مهمی ایفا کنند. ماهوارههای مخابراتی، ماهوارههای سنجش از دور و کاوشگرهای اعماق فضا همواره در معرض تابشهای کیهانی قرار دارند و خرابی ناشی از این تابشها یکی از مهمترین عوامل کاهش عمر تجهیزات فضایی است. استفاده از حسگرهای مبتنی بر نانونوارهای گرافنی میتواند نشانههای اولیه آسیبهای ناشی از تابش را پیش از وقوع خرابیهای جدی آشکار کند.
گروه پژوهشی دانشگاه آریزونا در ادامه این پروژه قصد دارد عملکرد این حسگرها را در دوزهای مختلف تابش بررسی کند و همزمان نانونوارهایی با ابعاد گوناگون بسازد تا حساسیت آنها نسبت به پرتو قابل تنظیم باشد.
به گفته ظفر موتلو، یکی از جذابترین ویژگیهای این فناوری، امکان طراحی ماده در مقیاس اتمی است. وی میگوید: «میتوان این مواد را اتم به اتم و مولکول به مولکول طراحی کرد. میتوان آنها را حساستر، کمحساستر یا حتی نسبت به تابش تقریباً بیتفاوت ساخت.»
این قابلیت، چشمانداز تازهای برای توسعه نسل آینده نیمهرساناهای مقاوم در برابر تابش ایجاد میکند؛ تراشههایی که نهتنها در محیطهای پرتشعشع عملکرد خود را حفظ میکنند، بلکه قادر خواهند بود بهطور مداوم وضعیت سلامت سامانههای الکترونیکی را نیز پایش کنند.
پژوهشگران بر این باورند که کنترل دقیق ساختار مواد در مقیاس اتمی میتواند زمینهساز طراحی نسل جدیدی از حسگرها و تراشههای نیمهرسانا باشد؛ فناوریهایی که علاوه بر نیروگاههای همجوشی، در مأموریتهای فضایی طولانیمدت، صنایع هستهای و بسیاری از کاربردهای پیشرفته آینده نقشی کلیدی ایفا خواهند کرد.