نانو حسگر

نانو حسگر وسیله‏ هایی بسیار ریز هستند که قادرند به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر.

استفاده از علم نوین نانو در محصولات صنعتی رشد روز افزونی دارد. تولید داخلی این محصولات در تولید و صنعت ایرانی نیز شروع شده است.

نانو حسگر، وسایلی هستند که با وجود ظرافت زیاد، بسیار دقیق و حساس عمل می‌کنند و قادر به شناسایی و پاسخ به محرک‌های فیزیکی می‌باشند. این حسگرها در ابعاد نانومتری عمل می‌کنند، که این ویژگی‌ها باعث می‌شود تا دارای دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالا باشند. به طور مثال، می‌توانند به حضور چند اتم از یک گاز هم واکنش نشان دهند.

برای ساخت نانو حسگر، از عناصر مانند نانولوله‌ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی استفاده می‌شود.

استفاده از نانو حسگر و حسگرهای توانمند به واسطه فناوری نانو، در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارد. به عنوان مثال، در صنایع حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز، تسهیلات رفاهی، پزشکی، بهداشت و سلامت، و همچنین صنایع دفاعی، نانوحسگرها و حسگرهای توانمند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع نانو حسگر

این تجهیزات انواع مختلفی دارند که شامل حسگرهای شیمیایی و سنتزی می باشد.

نانو حسگرهای شیمیایی

این نانو حسگر می توانند دردمای اتاق غلظت‌های بسیارکوچکی از مولکولهای گازی را با حساسیت بسیاربالا آشکارسازی کنند.

حسگرهای شیمیایی گازی برای مثال شامل مجموعه ای از نانولوله‌های تک دیواره هستند و می توانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن وآمونیاک را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت 200ppm از دی اکسید نیتروژن قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% آمونیاک هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانو لوله‌ های تک دیواره ، حساسیت بالا و دردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند.

این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند. در مقاله ای دیگر به تفصیل در خصوص حسگرهای شیمیایی بحث خواهد شد.

نانو حسگرهای سنتزی

این نانو حسگر از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانو لوله های کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور یا بدون حضور ذرات تهیه می شوند. این تجهیزات اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می شوند.

کاربرد نانو حسگر در محیط زیست

نانو حسگر کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته‏اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

نانوحسگرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی که دارند، کاربردهای مهمی در مختلف زمینه‌های علمی و محیط زیست دارند. در ادامه به سه کاربرد اصلی نانوحسگرها در زمینه محیط زیست اشاره خواهیم کرد:

کنترل آلودگی هوا:

یکی از نیازهای اصلی در کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. استفاده از نانوحسگرها در این زمینه به طور چشمگیری باعث پیشرفت موثری شده است. اختراع نمونه‌های غبار هوشمند باعث شده که تولید این نوع حسگرها به مرحله کاربردی نانو نزدیک شود. این غبارهای هوشمند از ذرات سیلیکونی ریز ساخته شده‌اند و به راحتی در هوا معلق می‌مانند. این حسگرها از طریق بی‌سیم اطلاعات جمع‌آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال می‌کنند. این فناوری توانسته است سرعت انتقال اطلاعات را به حدود یک کیلوبایت در ثانیه افزایش دهد.

شناسایی نشت گازهای مهلک:

نشت گازهای مهلک یکی از خطرات جدی در صنعت و زندگی روزمره است که معمولاً با تأخیر شناسایی می‌شود. استفاده از نانوحسگرها از نانوتیوب‌های تک‌لایه ساخته‌شده که ضخامت آنها حدود یک نانومتر است، باعث شناسایی مولکول‌های گازهای سمی می‌شود. این حسگرها همچنین توانایی شناسایی مولکول‌های گازهای مهلک را نیز دارند. به علاوه، تحقیقات نشان می‌دهد که این حسگرها می‌توانند به شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی در فضا نیز کاربرد داشته باشند.

تصفیه آب با استفاده از نانوفیلترها:

استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب، یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست است. این فیلترها معمولاً مولکول‌های بزرگ را از آب جدا می‌کنند و با صرف انرژی کمتر، آب را به خوبی تصفیه می‌کنند. نانوفیلتراسیون قادر است انواع باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفت‌کش‌ها، آلاینده‌های آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. از آنجایی که در این فرایند از هیچ ماده شیمیایی برای سختی‌گیری آب استفاده نمی‌شود، اثرات منفی زیست‌محیطی کاهش می‌یابد.

همچنین، ذرات نانوساختار در تصفیه آلاینده‌ها انعطاف‌پذیری بسیاری دارند و می‌توانند مخلوط‌های مختلف آلاینده‌ها را تصفیه کنند. این ذرات می‌توانند به تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، آب و پسماندهای مایع کمک کنند. همچنین، ذرات دوفلزی نانوساختار مثل آهن-پالادیم، آهن-نقره و روی-پالادیم قادر به تصفیه و پالایش آلوده‌کننده‌های محیط زیست هستند، از جمله آفت‌کش‌های کلرینه با منشا آلی و حلال‌های آلی هالوژنه.

به طور خلاصه، نانوحسگرها و نانوفیلترها به دلیل توانایی شناسایی و تصفیه مواد آلاینده، انعطاف‌پذیری بالا و کاهش اثرات زیست‌محیطی، نقش مهمی در محافظت از محیط زیست ایفا می‌کنند. این فناوری‌ها در آینده ممکن است باعث بهبود و بهینه‌سازی فرآیندهای مرتبط با محیط زیست گردند.

نانو پلیمرهای متخلخل

هنگامی که آلاینده‏های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می‏شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می‏شوند. جذب و دفع این گونه آلاینده‏ ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است . این عمل به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای مختلف خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد. هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‏های آلاینده به جسمی متصل می‏شوند که از لحاظ شیمیایی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکولهای مواد آلاینده دارند، مناسب‏ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‏های آلی از آب و خاک به شمار می‏روند. به طور کلی کاربردهای زیست‏محیطی این نانوساختارها عبارتند از:

۱) جداسازی آلاینده‏های آلی از آب آشامیدنی.

۲) تصفیه پسابهای واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‏های هسته‏ای برای استفاده مجدد از آنها

۳) پاکسازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی

۴) پاکسازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده‏های آلی

با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می‏گیرند، بنابراین هزینه‏های تصفیه به مراتب کمتر می‏شود.

کاتالیست‏ های زیست محیطی

از زمینه‏های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‏ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت‏اند. به همین جهت کاتالیزورهای نانوساختاری به عنوان جایگزین ارزان قیمت کاتالیزورهای یاد شده مورد توجه قرار گرفته‏اند.

پلیمرهای زیستی

از نانو ساختارهایی مثل پلیمرهای زیستی می‏توان برای تولید تراشه ‏های الکترونیکی استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریزتراشه ۳۲ مگابایتی، به مصرف ۸۵ گرم سوخت فسیلی و مواد شیمیایی و ۱۶ کیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرایندهای نانو می‏توان شیوه مرسوم در تولید تراشه‏های نیمه هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید. علاوه بر این، استفاده از فناوری نانو منجر به تولید مواد بی خطر به جای مواد سمی می‏شود.

نانو فیلترها

الکل‏هایی مانند اتانول به عنوان حلال یا ماده پاک‏کننده به وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‏گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‏های مختلف را به خود جذب می‏کنند. با توجه به این که دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیانباری بر محیطزیست دارد، باید برای استفاده مجدد تصفیه شوند. روش‏های متداول از قبیل تقطیر، محیط زیست را آلوده و انرژی زیادی را تلف می‏کنند. استفاده از نانوفیلترها گام موثری در حفاظت محیط زیست و صرفه‏جویی انرژی در این زمینه است.

نانو پوشش‏ها

پوشش‏های نانوساختاری پیشرفته به خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می‏چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند. ویژگی بارز این نانوپوششگرها خاصیت ضدخوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیم و منیزیم افزایش داده است. این نانو پوشش ها در مقابل حرارت بسیار مقاومند و می‏توانند دما را تا ۷۰۰ درجه سانتی‏گراد تحمل کنند. استفاده از این نوع پوششگرها منجر به کاهش خوردگی فلزات می‏شود و در نهایت، محیط زیست را با کاهش میزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد.

کاربرد دیگر پوششگرهای نانوساختاری، در حذف گرد و غبار از روی سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک‏کننده‏هاست. این نانوذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل‏ها به کار می‏برند. بدین ترتیب کشش سطحی این سطح نسبت به محلول‏های آبدار به شدت کاهش می‏یابد. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش داده شده را خیس نمی‏کند و به صورت قطراتی روی آن باقی می‏ماند و به سرعت زدوده می‏شود. این عمل فرایند خشک شدن را سرعت می‏دهد. بدیهی است که مصرف مواد شوینده به شدت کاهش می‏یابد و از آلودگی محیطزیست جلوگیری به عمل می‏آید.

نانو پودرها

نانو پودرها موادی به شدت فعال‏اند که در دمای پایین ذوب یا آلیاژ می‏شوند. این پودرها در فرایندهای قالب‏گیری تزریقی و پوشش سطوح مختلف استفاده میشوند . نوعی از پودرهای نانوساختاری یاد شده که حاوی ذرات ریز آلومینیوم هستند، در صورت افزوده شدن به سوخت‏های جامد موشک‏ها ، شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می‏دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و درنتیجه کاهش تولید آلاینده‏های مختلف می‏شود.

آنچه از توانمندی‏های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می‏توان از این روش‏ها برای حفظ محیط زیست در آینده‏ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری‏های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید.