فهرست سریع مطالب

نانو حسگر ها

نانو حسگر به حسگرهای در مقیاس نانو گفته می‌شود.این وسیله الکتریکی قابلیت شناسایی محرک های فیزیکی بسیار خفیف در حد یک نانومتر را دارد.
امتیاز این نوشته از نظر شما عزیزان
5/5

طبق رسم سایت نهایت یادگیری روز های جمعه به مطالبی مرتبط با فناوری می پردازیم. شما می توانید کانال تلگرام و کانال روبیکا و همچنین پیج نهایت یادگیری را دنبال کنید. در این مقاله قصد داریم به نانو حسگر ها بپردازیم.

نانو حسگر به حسگرهای در مقیاس نانو گفته می‌شود.این وسیله الکتریکی قابلیت شناسایی محرک های فیزیکی بسیار خفیف در حد یک نانومتر را دارد.امروزه این وسیله کاربرد زیادی در محیط زیست یافته ‌است. نانو حسگر هایی که از سیلیکون ساخته می‌شوند ساعت‌ها در هوا معلق مانده و می ‌توانند آلودگی هوا را بررسی کنند.

حسگر چیست؟

حسگر یک وسیلهٔ الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه ‌گیری می ‌کند و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می ‌باشند، و یا به ‌طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص از خود واکنش های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشر ساخت 

ساختار کلی یک حسگر

درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضور دارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی عنصر حسگر آن می‌باشد. این عنصر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونهٔ مورد نظر در یک نمونهٔ پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنال های شیمیایی را که در نتیجهٔ پیوند شدن عنصر حسگر با گونهٔ موردنظر تولید شده ‌است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه ‌گیری تبدیل می ‌کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی‌ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده‌ها یا کل سلول‌ها می‌توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

خصوصیات حسگرها

یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :

  • سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونهٔ هدف باشد.
  • بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
  • قدرت تفکیک و گزینش ‌پذیری بالایی داشته باشد.
  • تکرار پذیری و صحت بالایی داشته باشد.
  • سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد. ( در حد میلی‌ثانیه )
  • عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما، قدرت یونی محیط و …

نانو حسگر ها

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دههٔ اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچک تر و دارای قابلیت های بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می ‌شود به‌ طوری ‌که در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما یا تشعشع حساس‌ اند. بالا بردن درجهٔ حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانو متری هستند که به خاطر کوچکی و نانو متری بودن ابعادشان از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند به ‌طوری ‌که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس ‌العمل نشان می دهند. حسگر یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه ‌گیری می‌ کند و آن‌ها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی و نیز داخلی می‌باشند یا به ‌طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص از خود واکنش های پیش ‌بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهایی که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق ‌تر، کوچک‌ تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

انواع نانو حسگر ها

نانو حسگر ها بر اساس نوع ساختارشان به سه دستهٔ نقاط کوانتومی، نانولوله ‌های کربنی و نانو ابزارها تقسیم بندی می‌شوند:

۱٫استفاده از نقاط کوانتومی در تولید نانو حسگرها:

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می ‌شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را در رنگ ها و طول موجهای مختلف، منتشر می ‌کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد ۳ نانومتر نور سبز منتشر می‌ کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی ۵/۵ نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشر می ‌کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موج های خاص نقاط کوانتومی، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کار می روند. در این عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکار ساز های مادون قرمز، دیود های انتشار دهندهٔ نورمی توان استفاده نمود. آشکار سازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکار سازها مسئلهٔ خنک‌ سازی آنهاست. برای خنک ‌سازی این آشکار سازها از اکسیژن مایع و خنک‌سازی الکترونیکی استفاده می‌شود. این آشکار سازها برای عملکرد صحیح باید در دماهای بسیار پائین، نزدیک به ۸۰ درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، در صورتی که از آشکار سازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می‌توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

۲٫ استفاده از نانو لوله ‌ها در تولید نانو حسگرها:

نانو لوله ‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می ‌توان به استفاده از آن‌ها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به‌طورکلی کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

الف ) نانولوله ‌های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:

این حسگرها می ‌توانند در دمای اتاق غلظتهای بسیار کوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیار بالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه‌ای از نانو لوله ‌های تک دیواره هستند و می توانند مواد شیمیایی مانند دی‌اکسید نیتروژن ( NO2 ) و آمونیاک ( NH3 ) را آشکار کنند. هدایت الکتریکی یک نانو لوله نیمه هادی تک دیواره که در مجاورت ppm200 از NO2 قرار داده می‌ شود، می ‌تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط ۲% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده از نانو لوله ‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده و در دمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی در کاربرد های تشخیصی دارند.

ب) نانو لوله ‌های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می‌کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانو لوله کاملاً ً متناسب است. این اندازه ‌گیری به وضوح امکان استفاده از نانو لوله‌ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می‌ دهد. یا می‌توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصلهٔ میان نانو لوله ‌های کربنی و سیستم، نانولوله‌های کربنی را برای ساخت بیو حسگرها توسعه داد. شبیه سازی‌ های دینامیکی نشان می‌دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می‌توانند به صورت شیمیایی با نانو لوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می‌تواند به وسیلهٔ پیوندهای واندروالس روی نانولولهٔ کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ‌های کربنی را نشان می‌دهد. تحقیق در این زمینه هنوز درحال توسعه و پیشرفت است و مطمئنا ً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد به ‌کارگیری آن‌ها در ابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.

۳٫استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:

با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانهٔ کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینهٔ نانو ابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

نانو حسگر ها و کنترل آلودگی هوا

یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانو حسگر ها پیشرفت مؤثری در زمینهٔ کنترل آلودگی هوا صورت گرفته ‌است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می ‌باشد. غبارهای هوشمند مجموعه‌ ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه‌های بسیار سبک هستند که به راحتی ساعت‌ها در هوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می‌ شوند و می‌توانند از طریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله‌های تک لایه ساخته شده‌اند که می‌توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آن‌ها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود در محیط هستند. محققان معتقدند این نانو حسگر ها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده‌های هوا کاربرد خواهند داشت.

مبارزه با انتشار گازهای سمی

انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشدار دهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این ‌گونه گازهای نشتی می‌ شوند. نانو حسگرها که از نانو تیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آن‌ها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حسگرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

جذابیت‌های نانو حسگر ها

به‌طور صریح این قبیل مزایای نانو حسگرها باعث شده ‌است که به عنوان فرصتی وسوسه ‌انگیز برای بازار تلقی شوند. نانو حسگرها به ‌طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. همچنین این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شده آن‌ها کمتر از قیمت تمام‌ شده حسگرهای موجود در بازار باشد.

برای مثال اگر قیمت حسگرهای صنعتی متداول امروزی، چند ۱۰ هزار دلار باشند برای نانو حسگرهایی که بتوانند همان کار را انجام دهند به صورت نظری چند ۱۰ دلار برآورد می‌شود. نانو حسگرها همچنین هزینه جاری را نیز کاهش می‌دهند؛ زیرا به ‌طور ذاتی برق کمتری مصرف می‌ کنند.

در نهایت از آنجایی که نانو حسگرها هزینه ‌های خرید و اجرا را کاهش می ‌دهند؛ ممکن است به ‌کارگیری آن‌ها به صورت آرایه‌ها و توده‌ها مقرون به صرفه باشد و همچنین بتوانند به شکل فراگیر و حتی اضافی در قطعات کاربرد پیدا کنند؛ به‌ طوری ‌که اگر یک نانو حسگر از کار بیفتد و از مدار خارج شود بتوان از آن صرف نظر کرد و ضریب امنیت در حد مطلوبی باقی بماند، زیرا تعداد زیادی نانو حسگر دیگر در سیستم می‌توانند کار آن را به عهده بگیرند.

در بخش نظامی و امنیت ملی نیز احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آن‌ها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان ‌دهنده سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانو حسگرهایی است که در بدنه هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.

در صنایع اتومبیل می‌توان از نانو حسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران ‌قیمت می‌توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانو حسگرها را مورد استفاده قرار داد.

آینده‌نگری

می توان انتظار داشت که در آینده با ترکیب محرک ها و نانوحسگر ها بتوان مواد هوشمندی ساخت که در فرایندهای تولید سیستم‌های پیچیده نقش‌های مهمی ایفا کرده و فناوری جدید دیگری را پایه ریزی کنند. گرچه موانعی مانند افزایش قیمت، اطمینان ‌پذیری از تأثیر آن‌ها و نیز اطمینان از کاربرد آن‌ها در زمینه‌های صلح‌آمیز نیز باید از سر راه برداشته شود.

اگر مطلب ما برای شما مفید بود می توانید از طریق لینک های زیر آن را در شبکه های اجتماعی اشتراک گذاری کنید.

Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on facebook
Facebook
Share on linkedin
LinkedIn
Share on email
Email
Share on twitter
Twitter

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *