محققان دانشگاه کمبریج موفق به افزایش فوقالعاده حساسیت حسگرهای مبتنی بر نانولوله کربنی شدهاند. این افزارهها با ترکیب پلیمرهای هادی و نانولولههای کربنی تکجداره میتوانند غلظتهای پایینتراز ppbا۱۰ از گاز را شناسایی کنند. آنها میتوانند در کاربردهایی از قبیل شناسایی نشتهای مواد شیمیایی، پایش آلودگی محیطی و در بخش پزشکی استفاده شوند.
ترکیب پلیمرهای هادی و نانولولههای کربنی در حسگرها
محققان دانشگاه کمبریج موفق به افزایش فوقالعاده حساسیت حسگرهای مبتنی بر نانولوله
کربنی شدهاند. این افزارهها با ترکیب پلیمرهای هادی و نانولولههای کربنی تکجداره
میتوانند غلظتهای پایینتراز ppbا۱۰ از گاز را شناسایی کنند. آنها میتوانند در
کاربردهایی از قبیل شناسایی نشتهای مواد شیمیایی، پایش آلودگی محیطی و در بخش
پزشکی استفاده شوند.
پلیمرهای هادی بهدلیل ساخت آسان، ارزان و وزن سبک، افزارههای حسکننده خوبی به
شمار میروند؛ این در حالی است که حساس کردن آنها به مواد شیمیایی خاص و ویژه مشکل
است. نانولولههای کربنی تکجداره نیمههادی(SWNTs) نیز حسگرهای گاز خوبی هستند و
به غلظتهای تا حد ppb(قسمت در بیلیون) حساس هستند؛اما ساخت آنها مشکل و گران است.
سارا وایرا و همکارانش در دانشگاه کمبریج، به جای استفاده مجزا از هر کدام از این
مواد حسکننده، تصمیم گرفتند آنها را ترکیب کنند. این محققان پی بردند که در این
حالت نه تنها هزینههای کلی افزاره کاهش مییابد، بلکه این حسگرهای نانوکامپوزیتی
جدید در مقایسه با اجزای مجزا، حساسیتها و انتخابگریها را نیز افزایش میدهند.
وایرا گفت: «ما مشاهده کردیم که تزریق حتی مقادیر خیلی کمی از گاز در حد ppbا۱۰،
منجر به تغییرات نهایی در پروفایل کلی هدایت این حسگرها میشود». تغییر هدایت در
این افزارهها و چگونگی عملکرد آنها بهعنوان حسگر، بستگی به محیط شیمیایی اطرافشان
دارد.»
این گروه با استفاده از فرایند نیمههادی اکسید فلزی مکمل سیلیکون روی عایق(SOI
CMOS) تجاری، افزاره خود را ساختند. در مرحله بعد، مواد حسکننده تهیه شد و مستقیماً
روی الکترودهای جفتشده تنگستنی قرار داده شد(شکل را ببینید). وایرا و همکارانش
برای ترسیب مواد حسکننده از چاپگر جوهرافشان استفاده کردند و هنگام عبور چندین گاز
مختلف از روی این افزاره، تغییرات هدایت الکتریکی را بررسی کردند. این حسگرها در
دمای اتاق کار کردند و برای ۲۰ ثانیه در خلأ و در معرض گازها قرار گرفتند.
وایرا توضیح داد: «حسگرهای گازی ساختهشده با روش ما، توان مصرفی پایینی
دارند(پایینتر از ده میلیوات در صد درجه سانتیگراد) و با توجه بهاستفاده از
نانولولههای کربنی تکجداره نیمههادی و پلیمرهای هادی ـ که هر دو با فرایند SOI
CMOS سازگار هستند ـ حساسیت و انتخابگری بالایی نیز دارند. علاوه بر این، ترکیب
کردن این دو جزء پایداری پلیمر را نیز افزایش میدهد.»
حد تشخیص ppbا۱۰ عالی است و در مقایسه با دیگر افزارههایی که از نانوکامپوزیتها
استفاده میکنند، خیلی خوب است. این نتایج بیشتر بهدلیل ترکیب دو جزء استفادهشده
است. تفاوتها در تغییر هدایت الکتریکی برای سه گازِ تستشده، نیز دلالت بر
انتخابگری این افزاره دارند. اندازهگیریها تکرارپذیر بودند، و این نشان میدهد که
این افزاره قابل اعتماد است.
این محققان آزمایشها را هم با گرمکنهای موضعی قرار دادهشده در زیر الکترودهای
جفتشده در این افزارهها، انجام دادهاند؛ زیرا در دماهای بالاتر بعضی از گازها را
بهتر میتوان شناسایی کرد.
کاربردهای بالقوه این افزارهها شامل شناسایی نشت مواد شیمیایی و پایش فرآوری مواد
شیمیایی صنعتی هستند؛ برای مثال، شناسایی مواد شیمیایی نفتی، هیدروکربنها و دیاکسید
نیتروژن. همچنین این افزارهها میتوانند آلایندههای محیطی، کیفیت هوای اندرونی، و
خطوط لوله گاز در خانهها را پایش کرده، در بخش پزشکی برای مثال گازهای بیهوشی را
پایش کنند.
این گروه اکنون در حال ساخت یک حسگر چهارغشایی؛ شامل چهار ماده نانوکامپوزیتی
متفاوت، است. آنها این کار را با استفاده از پلیمرهای هادی و نانولولههای کربنی تکجداره
متنوعی که هر کدام به یک گاز خاص حساسند، انجام خواهند داد. با چنین حسگری میتوان
مخلوطی از گازها را آنالیز کرد.
این محققان نتایج کار خود را در مجله Appl. Phys. Lett. منتشر کردهاند.
