افزایش حساسیت نانوحسگرها با استفاده از نانولوله‌های کربنی

پژوهشگران پردیس فنی دانشگاه تهران توانستند با سنتز نانوکامپوزیت نانولوله‌های کربنی چند دیواره دی‌اکسید قلع، حساسیت این نانوحسگر را تا کمتر از ppm ۰٫۳ بالا ببرند. نانولوله‌های کربنی چند دیواره دارای عامل اسیدی در بهبود حساسیت و انتخاب‌گری نانوحسگرهای نیمه‌هادی شناساگر ترکیبات آلی فرار، نقش دارند.

مکانیزم اندازه‌گیری غلظت در حسگرهای نیمه‌هادی، تغییر مقاومت لایه حساس (تشکیل شده از نانوذرات SnO₂) روی حسگر است. به عبارت دیگر هنگامی که حسگر در هوای خالص قرار می‌گیرد مقاومت آن بالا می‌رود و با قرار گرفتن در معرض یک گاز کاهنده (مانند یک ترکیب VOC) مقاومت آن کاهش می‌یابد.

تحقیقات اخیر نشان داده است با کاهش قطر نانوذرات SnO₂ به مقادیر کمتر از ۶ نانومتر، حساسیت حسگر تهیه شده از این نانوذرات به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. از کاربردهای این نانوحسگرها همچنین می‌توان به استفاده در زمینه‌های بهداشتی، پزشکی، صنایع غذایی، صنایع دفاع و کنترل، صنایع شیمیایی و غیره اشاره کرد.

در این کار تحقیقاتی از نانولوله‌های کربنی چنددیواره به منظور بهبود خواص حسگرهای نیمه‌هادی ترکیبات آلی فرار استفاده شده است. مهندس صادق احمدنیا فیض‌آباد، یکی از محققان این کار پژوهشی، در این باره توضیح داد: «در این تحقیقات نانولوله‌های کربنی چند دیواره‌ی دارای عامل اسیدی (AF-MWCNTs) به روش نشاندن بخار شیمیایی (CVD) سنتز شدند. سپس نانوکامپوزیت‌هایی متشکل از نانولوله‌های کربنی و نانوذرات دی‌اکسید قلع به روش سونوشیمیایی و با درصدهای مختلف نانولوله‌های کربنی تهیه گردید. این نانوکامپوزیت‌ها نیز با آنالیزهای متفاوتی مورد بررسی قرار گرفتند و نانوحسگرهایی مبتنی بر نمونه‌های تهیه شده، ساخته شدند. در انتها نیز به بررسی عملکرد این نانوحسگرها پرداخته شد.»

یکی از مزایای روش رسوب‌دهی شیمیایی استفاده شده در این تحقیقات، تولید نانوذرات با قطری کمتر از ۶ نانومتر است که باعث می‌شود نانوحسگر ساخته شده از این نانوذرات حساسیت بسیار بالایی داشته باشد. همچنین مهندس احمدنیا، فارغ‌التحصیل مقطع کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، با اشاره به دیگر مزایای این کار تحقیقاتی، افزود: «اضافه نمودن AF-MWCNTs به SnO₂ و ساخت نانوکامپوزیت‌های نیمه هادی، باعث بهبود بیشتر خواص نانوحسگرهای ساخته شده می‌شود. مکانیزم‌های مختلفی در مورد این بهبود حساسیت وجود دارد که مهم‌ترین آن تسهیل در انتقال الکترون‌ها در لایه حساس، بهبود جذب سطحی ترکیبات VOCs روی سطح حسگر و احتمال ایجاد ساختار غیر یکنواخت p-n در فصل مشترک MWCNTs و SnO₂ است.»

نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که MWCNT اضافه شده (به دلیل مقدار ناچیز) تاثیری در ساختار کریستالی SnO₂ ندارد. همچنین مشاهدات حاکی از آن است که دی‌اکسید قلع به صورت لایه‌ای بر روی آن قرار گرفته است. مهندس احمدنیا نیز در مورد نتایج این تحقیقات افزود: «با اندازه‌گیری مقاومت در برابر هوا مشخص گردید که MWCNT به خوبی در لایه حساس پراکنده شده است. همچنین نتایج آزمایشات در دماهای مختلف نشان داد که این نانو حسگر برای استفاده در دماهای پایین (مثل ۱۰۰ درجه سانتیگراد) مناسب است. با بررسی درصدهای اضافه شده، نمونه ۰٫۰۵wt% AF-MWNTs/SnO₂ به عنوان بهینه‌ترین نانوحسگر ارائه شد.»

به اعتقاد مهندس احمدنیا یکی از مهم‌ترین کاربرد این نانوحسگرها در زمینه پزشکی است. ایشان با توضیح این مورد اضافه کردند: «فرآیندهای فیزیولوژیکی معمول یا غیرمعمول در بدن می‌توانند منبع انتشار گازهای موجود در بازدم باشد که در نتیجه‌ی آن ترکیب درصد بازدم تغییر خواهد کرد. تشخیص امراض داخلی بدن عموماً به وسیله‌ی انجام آزمایش‌های مختلف مانند آزمایش خون یا نمونه برداری (Biopsy) از بافت مورد نظر صورت می‌گیرد که علاوه بر وقت گیر بودن و عوارض جانبی آن، عمدتاً پس از پیشرفت بیماری در بدن بیمار قابلیت تشخیص بیماری را دارند. اما گاهی اوقات، با آنالیز تنفس می‌توان خیلی زودتر و هنگامی که تعداد سلول‌های معیوب اندک هستند به وجود بیماری پی برد. بیماری‌های سرطان ریه، سرطان سینه و دیابت از جمله بیماری‌هایی هستند که از طریق آنالیز تنفس نیز قابل تشخیص‌اند.»

نتایج این کار تحقیقاتی که با همکاری دکتر عباسعلی خدادادی، دکتر یدالله مرتضوی و مهندس مسعود وصالی ناصح از پردیس فنی دانشگاه تهران صورت گرفته است، در مجله Sensors and Actuators B: Chemical (جلد ۱۶۶-۱۶۷، ۲۰ ماه می سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن این مقاله را در صفحات ۱۵۰ الی ۱۵۵ همین شماره مشاهده نمایند.