محققان دانشگاه تربیت مدرس با معرفی یک روش نوین برای ساخت الکترود با ترکیب دو روش بخار فیزیکی و الکتروشیمیایی با قابلیت رشد انتخاب‌پذیر نانوساختارها و کنترل فرایند هسته‌زایی آن‌ها به توسعه کاربرد تجاری نانوحسگرها کمک کردند.
دانشگاه تربیت مدرس: رفع مشکل اساسی استفاده تجاری از نانوحسگرها
از آنجا که انتقال الکترون و فعالیت کاتالیزوری نانوساختارها کاملاً به مورفولوژی و اندازه آن‌ها بستگی دارد، تحقیقات گسترده‌ای در این حوزه در حال انجام است تا نانوساختارهای بهینه برای کاربردهای حسگری ایجاد شوند. پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس روشی مقیاس‌پذیر و با تکرارپذیری بالا برای تولید نانوساختارهای طلا به‌عنوان الکترودهای کار برای کاربردهای حسگری معرفی کردند.
حسین صیام‌پور پژوهشگر دانشگاه تربیت مدرس درباره این کار تحقیقاتی می‌گوید: «انتقال الکترون و فعالیت کاتالیزوری نانوساختارهای طلا به مورفولوژی و اندازه آن‌ها بستگی دارد، تحقیقات گسترده‌ای در حال انجام است تا نانوساختارهای بهینه برای کاربردهای حسگری توسعه یابند. از جمله رویکردهای قابل‌توجه در این زمینه می‌توان به روش الکتروشیمیایی، خودآرایی الکترواستاتیک مستقیم، خودآرایی با پلیم و رشد به‌واسطه هسته اولیه اشاره کرد. در این روش‌ها، کنترل دقیق مورفولوژی با استفاده از الگو، سورفکتانت یا پیش‌آماده‌سازی بستر فراهم گردیده است. در اکثر این موارد، انتقال الکترون و فعالیت کاتالیزوری نانوساختارها به دلیل وجود مولکول‌های سورفکتانت و مولکول‌های پیونددهنده کاهش می‌یابد که درنتیجه کاربردشان را محدود می‌کند. از طرف دیگر روش‌های ارائه‌شده عموماً از ضعف تکرارپذیری، پایداری کم، روند طولانی ساخت و کاهش عملکرد حسگری ناشی از تراکم نانوساختارها و مسدودشدن سایت‌های فعال توسط لینکرها رنج می‌برند؛ بنابراین، برای تولید حسگرهای حساس، یافتن یک روش ساده و با تکرارپذیری بالا برای رشد مستقیم مواد فعال روی سطح الکترود بستر، یک چالش مهم است. در این پژوهش، ما روشی مقیاس‌پذیر و با تکرارپذیری بالا برای تولید نانوساختارهای طلا به‌عنوان الکترودهای کار برای کاربردهای حسگری معرفی کردیم. برای این مطلوب از روش لایه‌نشانی تبخیر فیزیکی به‌عنوان روش مرجع استفاده شده است. با بهینه‌کردن شرایط لایه‌نشانی شامل ضخامت فیلم، دمای بازپخت و انجام لایه‌نشانی به روش الکتروشیمیایی، حسگری با عملکرد بالا به‌دست آمد. عملکرد الکتروشیمیایی آن‌ها با استفاده از ولتامتری چرخه‌ای و بیناب‌نمایی امپدانس الکتروشیمیایی صورت پذیرفته است.»
وی درباره فناوری نانو به‌کاررفته در این پژوهش گفت: «رشد انتخاب‌پذیر روی الکترود در نتیجه دو عامل در مقیاس نانو رخ می‌دهد، اولین عامل مربوط به انرژی سطحی است به نحوی که نانوذرات طلای ایجادشده در نتیجه پردازش حرارتی، انرژی سطحی بالاتری نسبت به نواقص سطح بستر دارد که باعث می‌شود آن‌ها به‌عنوان یک سطح اولیه، در واکنش با یون‌های طلا عمل کنند و واکنش الکتروشیمیایی قابل‌توجهی با آن‌ها انجام دهند. عامل دیگر، رشد ساختار طلا در مناطق دفیوژن ایجادشده به‌وسیله نانوذرات طلا انجام می‌شود که همپوشانی این مناطق منجر به پوشانده‌شدن کل سطح بستر می‌شود. این بدان معناست که واکنش در شرایط پایدار قرار دارد به‌طوری که این دو عامل منجر به لایه‌نشانی انتخابی ترجیحی و رشد روی نانوذرات طلا در ابتدای لایه‌نشانی الکتروشیمیایی می‌شود.»
صیام‌پور در ادامه گفت: « این طرح در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده و کاربرد نتایج آن به صورت مستقیم و غیرمستقیم در حوزه‌های مرتبط با بهداشت و پزشکی، غذا و امنیت غذایی، محیط زیست، بیوتکنولوژی و انرژی است. تمام روش‌های انجام‌شده برای ساخت الکترود در این پژوهش به‌خوبی در صنعت شناخته‌شده هستند و فقط نیاز به سرمایه‌گذاری دارد.»
از جمله مهم‌ترین مزایای این روش، تولید الکترودها با تکرار پذیری، حساسیت بالا و در عین حال ارزان‌قیمت است که از الزامات تجاری‌سازی است، همچنین کاهش قابل‌توجه زمان ساخت الکترودها، کاهش قابل‌توجه مواد مصرفی و آلودگی نیز از مزایای این روش است.
محقق دانشگاه تربیت مدرس با اشاره به نتایج کلیدی این طرح گفت: «تکرارپذیری بالای ۹۸درصدی الکترودهای ساخته‌شده، سطح مؤثر الکتروشیمیایی ۲ برابری نسبت به الکترود شاهد و رسانندگی ۱۰ برابری سطح در بازه زمانی ۴/۱ در مقایسه با زمان ساخت الکترود شاهد از جمله نتایج مهم این طرح پژوهشی بوده است.»
صیام‌پور معتقد است این روش در واقع نقطه شروعی برای ساخت نانوساختارهای جدید با ترکیب روش‌های فیزیکی و الکتروشیمیایی است که این دو روش به عنوان کنترل‌پذیرترین روش‌ها در حوزه‌های علمی و صنعتی شناخته می‌شوند و ترکیب این دو روش کاستی‌های موجود در این روش‌ها را به بهترین وجه ممکن رفع می‌کند؛ بر این اساس این گروه تحقیقاتی در این راستا قدم خواهند برداشت.
این پژوهش در قالب رساله دکتری با همکاری حسین صیام‌پور، سارا عباسیان، احمد مشاعی، مسلم صدقی و حسین نادری‌منش از پژوهشگران و اعضای هیئت علمی دانشگاه تربیت مدرس و کبری امیدفر عضو هیئت علمی دانشگاه علوم پزشکی تهران انجام شده و در قالب مقاله‌ای با عنوان Seed-mediated electrochemically Developed Au nanostructures with Boosted Sensing properties: An implication for non-enzymatic Glucose Detection در مجله Scientific Reports با ضریب تأثیر ۳٫۹۹۸ (سال ۲۰۲۰) به چاپ رسیده است.
