پژوهشگران دانشگاه شیراز با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتمی و عامل‌دار کردن نوعی گرافن، موفق به افزایش حساسیت و واکنش پذیری این نانوساختارها برای‌شناسایی گاز سمی اکسید نیتروژن به‌صورت انتخاب‌پذیر شدند. روش ارائه شده به‌وسیله‌ی این محققان، روشی جدید برای طراحی حسگرهای گازهای سمی و آلاینده‌های محیط زیست با بازده بالا است.
شیراز: دستیابی به حسگرهای انتخاب‌پذیر بر پایه‌ی گرافن
گازهای سمی از دسته‌ی اکسید نیتروژن (NOx) به‌عنوان یکی از خطرناک‌ترین عوامل آلودگی هوا به‌شمار می‌روند. این ترکیبات تشکیل‌دهنده‌ی اصلی ازون و باران‌های اسیدی هستند. امروزه استفاده از نانوساختارها برای‌شناسایی آلاینده‌های زیست‌محیطی، روشی جدید و با بازده بالا به‌شمار می‌رود. با توجه به نوظهور بودن گرافن، استفاده از این نانوساختار در کاربردهای مربوط به‌شناسایی آلاینده‌ها، موضوعی بسیار جدید و جالب برای گروه‌های تحقیقاتی مختلف بوده است. در این بین استفاده از نانوورقه‌ی گرافن، (Graphene Nanoflake (GNF)) برای‌شناسایی گازهای آلاینده نسبت به گرافن و نانوریبون‌های گرافنی کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.
در این تحقیق با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتمی، نقش نوعی از نانوساختار بر پایه گرافن (GNF) به‌عنوان حسگر برای‌شناسایی دسته‌ای از گازهای آلاینده (اکسید نیتروژن) در حضور گازهای غیرسمی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که از میان GNF خالص، جانشین شده‌ی شیمیایی و عامل‌دارشده، ساختارهای عامل‌دار شده به‌ویژه به‌وسیله‌ی گروه کربوکسیل، باعث بیشترین افزایش در حساسیت و واکنش پذیری GNF نسبت به گاز اکسید نیتروژن می‌شود. در واقع GNF عامل‌دار شده با گروه کربوکسیل، ابزاری مناسب به‌عنوان حسگر برای شناسایی انتخاب‌پذیر گاز اکسید نیتروژن در حضور منوکسید کربن، اکسیژن و نیتروژن است.
اکبر امیدوار، دانشجوی دکتری رشته شیمی فیزیک دانشگاه شیراز، در مورد این تحقیقات گفت: « اساس کار حسگرهای مبتنی بر نانوساختارها، تغییرات گاف انرژی (band gap) پس از برهمکنش با گاز است. در واقع پس از جذب گاز بر روی نانوساختارها، با توجه به میزان انتقال بار و همچنین قدرت برهمکنش بین آن‌ها، خواص الکترونی نانوساختار دستخوش تغییر شده و درنتیجه گاف انرژی آن تغییر می‌کند. حال با قرار دادن نانوساختار مورد نظر در یک مدار الکتریکی، به محض جذب گاز بر روی آن، تغییر گاف انرژی باعث تولید سیگنال الکتریکی می‌شود که از طریق آن می‌توان به حضور گاز پی برد. بنابراین برای چنین مطالعاتی، محاسبه گاف انرژی اهمیت فراوان دارد. بر همین اساس خواصی همچون انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) ، انرژی پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) و اختلاف بین انرژی آن‌ها و همچنین انرژی جذب گاز بر روی GNF مورد محاسبه قرار گرفته است.»
در این تحقیق در ابتدا ساختار GNF خالص با استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای طراحی شد و با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتمی از نظر انرژی بهینه‌سازی گردید. سپس اثر جانشینی شیمیایی به‌وسیله‌ی عناصر بور و نیتروژن بر روی GNF با هدف بهبود خاصیت حسگری آن مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله بعد عامل دار کردن GNF به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی الکترون کشنده مورد بررسی قرار گرفت. سپس جذب گازهای مورد مطالعه بر روی هریک از ساختارهای طراحی شده انجام گرفت.
امیدوار با اشاره به نتایج به‌دست آمده از این تحقیقات گفت: «بر طبق نتایج به‌دست آمده اگرچه GNF خالص نسبت به گاز اکسید نیتروژن واکنش‌پذیر است، اما می‌توان این واکنش‌پذیری را با عامل‌دار کردن آن بهبود بخشید. نتایج تحقیق ما نشان می‌دهد GNF خالص پس از جذب گاز اکسید نیتروژن دستخوش تغییر قابل ملاحضه‌ای در مقدار گاف انرژی می‌شود. این در حالی است که جذب گازهای اکسیژن، نیتروژن و مونوکسید کربن چنین تأثیری را بر روی GNF خالص ندارند. همچنین مطالعات ما نشان داده است که GNFهای جانشین شده با بور و نیتروژن در مقایسه با GNF خالص حساسیت و واکنش پذیری کمی را در برابر گازهای مورد مطالعه نشان می‌دهند. نتایج مربوط به GNFهای عامل دار شده به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی الکترون کشنده نشان می‌دهند که عامل دارکردن GNF موجب افزایس حساسیت آن در مقابل گاز اکسید نیتروژن شده و در کنار حساسیت و عملکرد انتخابی بالا، دارای انرژی‌های جذب قابل توجهی هستند که نشان دهنده‌ی برهمکنش قوی بین گاز اکسید نیتروژن و GNFهای عامل دار شده هستند. در میان گروه‌های عاملی، گروه کربوکسیل بیشترین سهم را در افزایش عملکرد انتخابی، حساسیت و واکنش پذیری GNF در مقابل گاز اکسید نیتروژن دارد.»
شایان ذکر است که در این تحقیق که در راستای رساله دکتری آقای امیدوار صورت گرفته است، اثر گروه‌های عاملی الکترون کشنده در عامل‌دار کردن GNF برای بهبود خاصیت حسگری در برابر گازهای آلاینده مورد مطالعه قرار گرفته است که به گفته‌ی امیدوار در ادامه پروژه، اثر گروهای عاملی الکترون دهنده نیز مورد مطالعه قرار گرفته و در آینده‌ای نزدیک نتایج مربوط به آن منتشر خواهد شد.
نتایج این کار تحقیقاتی که با تلاش اکبر امیدوار و دکتر افشان مهاجری- عضو هیأت علمی دانشگاه شیراز- صورت گرفته است، در مجله‌ی Sensors and Actuators B: Chemical (جلد ۲۰۲، ماه اکتبر سال ۲۰۱۴، صفحات ۶۲۲ تا ۶۳۰) منتشر شده است.
در این تحقیق با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتمی، نقش نوعی از نانوساختار بر پایه گرافن (GNF) به‌عنوان حسگر برای‌شناسایی دسته‌ای از گازهای آلاینده (اکسید نیتروژن) در حضور گازهای غیرسمی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که از میان GNF خالص، جانشین شده‌ی شیمیایی و عامل‌دارشده، ساختارهای عامل‌دار شده به‌ویژه به‌وسیله‌ی گروه کربوکسیل، باعث بیشترین افزایش در حساسیت و واکنش پذیری GNF نسبت به گاز اکسید نیتروژن می‌شود. در واقع GNF عامل‌دار شده با گروه کربوکسیل، ابزاری مناسب به‌عنوان حسگر برای شناسایی انتخاب‌پذیر گاز اکسید نیتروژن در حضور منوکسید کربن، اکسیژن و نیتروژن است.
اکبر امیدوار، دانشجوی دکتری رشته شیمی فیزیک دانشگاه شیراز، در مورد این تحقیقات گفت: « اساس کار حسگرهای مبتنی بر نانوساختارها، تغییرات گاف انرژی (band gap) پس از برهمکنش با گاز است. در واقع پس از جذب گاز بر روی نانوساختارها، با توجه به میزان انتقال بار و همچنین قدرت برهمکنش بین آن‌ها، خواص الکترونی نانوساختار دستخوش تغییر شده و درنتیجه گاف انرژی آن تغییر می‌کند. حال با قرار دادن نانوساختار مورد نظر در یک مدار الکتریکی، به محض جذب گاز بر روی آن، تغییر گاف انرژی باعث تولید سیگنال الکتریکی می‌شود که از طریق آن می‌توان به حضور گاز پی برد. بنابراین برای چنین مطالعاتی، محاسبه گاف انرژی اهمیت فراوان دارد. بر همین اساس خواصی همچون انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) ، انرژی پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) و اختلاف بین انرژی آن‌ها و همچنین انرژی جذب گاز بر روی GNF مورد محاسبه قرار گرفته است.»
در این تحقیق در ابتدا ساختار GNF خالص با استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای طراحی شد و با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتمی از نظر انرژی بهینه‌سازی گردید. سپس اثر جانشینی شیمیایی به‌وسیله‌ی عناصر بور و نیتروژن بر روی GNF با هدف بهبود خاصیت حسگری آن مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله بعد عامل دار کردن GNF به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی الکترون کشنده مورد بررسی قرار گرفت. سپس جذب گازهای مورد مطالعه بر روی هریک از ساختارهای طراحی شده انجام گرفت.
امیدوار با اشاره به نتایج به‌دست آمده از این تحقیقات گفت: «بر طبق نتایج به‌دست آمده اگرچه GNF خالص نسبت به گاز اکسید نیتروژن واکنش‌پذیر است، اما می‌توان این واکنش‌پذیری را با عامل‌دار کردن آن بهبود بخشید. نتایج تحقیق ما نشان می‌دهد GNF خالص پس از جذب گاز اکسید نیتروژن دستخوش تغییر قابل ملاحضه‌ای در مقدار گاف انرژی می‌شود. این در حالی است که جذب گازهای اکسیژن، نیتروژن و مونوکسید کربن چنین تأثیری را بر روی GNF خالص ندارند. همچنین مطالعات ما نشان داده است که GNFهای جانشین شده با بور و نیتروژن در مقایسه با GNF خالص حساسیت و واکنش پذیری کمی را در برابر گازهای مورد مطالعه نشان می‌دهند. نتایج مربوط به GNFهای عامل دار شده به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی الکترون کشنده نشان می‌دهند که عامل دارکردن GNF موجب افزایس حساسیت آن در مقابل گاز اکسید نیتروژن شده و در کنار حساسیت و عملکرد انتخابی بالا، دارای انرژی‌های جذب قابل توجهی هستند که نشان دهنده‌ی برهمکنش قوی بین گاز اکسید نیتروژن و GNFهای عامل دار شده هستند. در میان گروه‌های عاملی، گروه کربوکسیل بیشترین سهم را در افزایش عملکرد انتخابی، حساسیت و واکنش پذیری GNF در مقابل گاز اکسید نیتروژن دارد.»
شایان ذکر است که در این تحقیق که در راستای رساله دکتری آقای امیدوار صورت گرفته است، اثر گروه‌های عاملی الکترون کشنده در عامل‌دار کردن GNF برای بهبود خاصیت حسگری در برابر گازهای آلاینده مورد مطالعه قرار گرفته است که به گفته‌ی امیدوار در ادامه پروژه، اثر گروهای عاملی الکترون دهنده نیز مورد مطالعه قرار گرفته و در آینده‌ای نزدیک نتایج مربوط به آن منتشر خواهد شد.
نتایج این کار تحقیقاتی که با تلاش اکبر امیدوار و دکتر افشان مهاجری- عضو هیأت علمی دانشگاه شیراز- صورت گرفته است، در مجله‌ی Sensors and Actuators B: Chemical (جلد ۲۰۲، ماه اکتبر سال ۲۰۱۴، صفحات ۶۲۲ تا ۶۳۰) منتشر شده است.
