گروه تحقیقاتی NPDL ( آزمایشگاه ساخت افزاره نانومقیاس) واقع در دانشگاه کردستان در تلاش است تا با ساخت افزاره‌های مبتنی بر مواد دوبعدی، نسل جدیدی از ادوات مناسب برای کاربردهای حسگری ارائه دهد. این محققان با استفاده از لایه‌نشانی قطره‌ای بر روی نانولوله‌های کربنی به یک افزاره اپتوالکترونیکی دست یافتند تا برای شناسایی گاز دی‌اکسید نیتروژن (NO2) در دمای اتاق عمل کند.
دانشگاه کردستان: شناسایی آلاینده‌های NO2 با افزاره‌های مبتنی بر مواد دوبعدی
فواد قاسمی مدرس گروه فیزیک دانشگاه کردستان درباره این پژوهش گفت: «در این طرح از روش جدیدی برای ساخت آشکارساز نوری بر پایه هیبرید مولیبدن سولفید/گرافن با اتصالات الکتریکی از جنس نانولوله کربنی استفاده شده است که این آشکارساز نوری به‌عنوان حسگر گازی برای شناسایی غلظت‌های مختلف گاز NO2 در دمای اتاق توسعه داده شد. نتایج حاصل حاکی از حسگر گازی بسیار حساس با قابلیت پایداری بالایی است که در مقایسه با سایر نمونه‌های خارجی گزارش شده در مقالات، عملکرد بهتری را نشان می‌دهد.»
توسعه صنعتی و گسترش اقتصادی به همراه رشد جمعیت جهانی به‌طور چشمگیری عرضه و تقاضای کالاها را در جهان افزایش داده است که منجر به آزادسازی بسیاری از گازهای سمی مانند نیتریک اکسید (NO)، دی‌اکسید نیتروژن (NO2)، آمونیاک (NH3)، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و فرمالدئید در هوا می‌شوند و سلامت انسان را تهدید می‌کنند. به‌دلیل سبک زندگی انسان، بیشترین خطر مستقیماً توسط گاز دی‌اکسید نیتروژن وجود دارد که احتمال بروز بیماری‌های ریوی و تنفسی را حتی در غلظت‌های کم افزایش می‌دهد. از این‌رو، مشکلات حادی در سلامت جمعیت انسانی ایجاد می‌کند و نظارت سریع بر آلاینده‌های دی‌اکسید نیتروژن به شدت نیاز است. بنابراین، تشخیص کارآمد این گاز و توسعه حسگرهای نیمه‌هادی با کارایی بالا به عنوان گزینه‌های نویدبخش برای محافظت از سلامت انسان بسیار مهم است.
قاسمی با اشاره به جزئیات این تحقیق گفت: «در این طرح از یک روش ساده بر پایه لایه‌نشانی قطره‌ای برای ساخت هیبرید گرافن – سولفید مولیبدن (MoS2) بر روی نانولوله‌های کربنی رشدیافته عمودی (VACNTs) استفاده شد تا به عنوان افزاره اپتوالکترونیکی برای شناسایی گاز دی‌اکسید نیتروژن (NO2) در دمای اتاق عمل کند. نانولوله‌های کربنی با ایجاد اتصال الکتریکی مناسب با ماده هیبرید به‌طور محسوسی بر پاسخ نوری افزاره تأثیر می‌گذارد به‌طوری‌که پاسخ‌دهی را افزایش قابل‌توجهی داد و زمان پاسخ‌دهی را تا ۴۰٪ نسبت به افزاره با اتصال طلا کاهش داد. در مرحله بعدی، افزاره ساخته‌شده MoS2-rGo/VACNTs به‌عنوان یک حسگر مقاومتی گازی برای شناسایی دی‌اکسید نیتروژن استفاده شد که فرآیند شناسایی در دمای اتاق و تحت تابش نور لیزر انجام شد. تحت تابش نور لیزر ۴۰۵ نانومتر، حسگر به ۱۰۰ ppm گاز NO2 حساسیت بالایی با زمان ریکاوری کوتاه، (مدت زمان موردنیاز برای بازگشت حسگر به حالت اولیه پیش از ورود گاز) نشان می‌دهد که عملکرد چشمگیری در مقایسه با سایر نمونه‌های گزارش‌شده خارجی است.»
وی درباره ویژگی‌های نوآورانه این پژوهش گفت: «استفاده از نانوصفحات مولیبدن سولفید بر روی لایه گرافن معلق ضمن دارابودن سطح مؤثر بالا، جایگاه‌های فعالی را جهت جذب مولکول‌های دی‌اکسید نیتروژن فراهم می‌کند. نانوصفحات مولیبدن سولفید علاوه بر فراهم‌آوردن مکان‌های فعال برای جذب مولکول‌های گاز، با افزایش حساسیت نوری حسگر، عملکرد آن‌را به میزان قابل‌توجهی تقویت می‌کنند. تابش نور با تولید جفت الکترون/حفره همراه است. حامل‌های تولیدشده، جایگاه‌های اشغال‌شده توسط مولکول‌های محیطی (مانند مولکول‌های اکسیژن و بخار آب) روی سطح صفحات را آزاد می‌کنند و آن‌ها را به مکان‌های فعال برای جذب مولکول‌های NO2 تبدیل می‌کنند. آن‌ها همچنین انرژی فعال‌سازی موردنیاز برای واجذب مولکول‌های به‌دام‌افتاده در زمان ریکاوری را تأمین می‌کنند، در نتیجه حساسیت و عملکرد افزاره را بهبود می‌بخشند. مهم‌ترین نوآوری در این کار استفاده از نانوصفحات اکسید مولیبدن برای ایجاد لایه فعال اپتیکی در افزاره است که دمای کاری آن را از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد به دمای اتاق کاهش می‌دهد، در حالی که نمونه‌های خارجی اکثراً در دماهای بالا در حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کنند. این تفاوت انرژی از طریق نور تأمین می‌شود.»
پژوهشگر این طرح با اشاره به قابل‌پیش‌بینی‌بودن حجم بازار حسگرهای گاز از ۱ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۹ به ۱٫۴ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۴ گفت: « تنظیم و اجرای مقررات مختلف بهداشت و ایمنی در سراسر کره زمین، افزایش استفاده از حسگرهای گاز در سیستم‌های تهویه مطبوع و مانیتورهای کیفیت هوا، افزایش تقاضا برای حسگرهای گاز در صنایع مهم، افزایش سطح آلودگی هوا و نیاز به نظارت بر کیفیت هوا در شهرهای هوشمند، از مهم‌ترین عوامل رشد بازار حسگرهای گازی است.»
گروه تحقیقاتی NPDL در تلاش است تا با افزودن نانومواد جدید، ضمن بهبود حساسیت، پایداری و عملکرد شناساگر پرتابل NO2 را در حد بالایی بهبود داده و اولین نمونه تجاری آن را با قیمت بسیار ارزانی در مقایسه با نمونه‌های خارجی روانه بازار کند. حسگرهای تجاری موجود در بازار بر اساس فناوری‌های مختلفی نظیر الکتروشیمیایی، آشکارسازهای فوتونی(PID)، نیمه‌هادی‌های حالت جامد (MOS)، کاتالیزوری، فرو سرخ، لیزر، زیرکونیا و هولوگرافیک ساخته می‌شوند. حسگر معرفی‌شده براساس فناوری نوری- گازی است که در مقایسه با سایر فناوری‌ها، حساسیت بالا، زمان ریکاوری کوتاه‌تر و پایداری بالایی را نشان می‌دهد.
این مقاله حاصل یک پروژه دانشگاهی است که خود نیز بخشی از یک پروژه بزرگتر متمرکز بر ساخت افزاره‌های مبتنی بر مواد دوبعدی است. فواد قاسمی عضو هیئت علمی گروه فیزیک دانشگاه کردستان و نویسنده مسئول توانسته است مجوز چاپ این مقاله را با عنوانVertically aligned carbon nanotubes, MoS2–rGo based optoelectronic hybrids for NO2 gas sensing در مجله Scientific Reports در سال ۲۰۲۰ دریافت کند.
