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.

نانوحسگرها، وسیله‌هایی هستند که با ظرافت زیادی ساخته می‌شوند و به دلیل دقت و حساسیت بالایی که دارند، قادر به شناسایی و پاسخ به محرک‌های فیزیکی هستند. عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتر است، که باعث می‌شود دقت و واکنش‌پذیری بالایی داشته باشند و حتی به حضور چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان دهند.

برای ساخت حسگرها از نانولوله‌ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی استفاده می‌شود که این اجزا باعث افزایش کارآیی حسگرها می‌شوند.

کاربردهای مختلف نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو در صنایع گوناگون وجود دارد. این کاربردها شامل حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی و بهداشت و همچنین صنعت دفاعی می‌شوند. از طریق این حسگرها، امکان کنترل دقیق‌تر، نظارت بهتر و کارآیی بالاتر در این صنایع فراهم می‌شود.

به طور کلی، نانوحسگرها با توانمندی‌های منحصر به فرد خود، در تحول و پیشرفت صنایع مختلف و همچنین بهبود شرایط زندگی انسان‌ها نقش مهمی ایفا می‌کنند. با دانستن اطلاعات ارزشمند از علم روز می توان به موفقیت در زندگی دست یافت.

انواع نانو حسگر

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

نانو حسگر شیمیایی

این حسگرها 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 حسگر سنتزی

این نانو حسگرها 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 عنوان یکی از فناوری‌های نوین و پیشرفته، کاربردهای مختلفی در علوم مختلف، از جمله محیط‌زیست، دارند. در این متن، به سه مورد کاربرد نانوحسگرها در علوم محیط‌زیست اشاره خواهد شد: کنترل آلودگی هوا، تشخیص نشت گازهای مهلک، و استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب.

نانو حسگر در کنترل آلودگی هوا:

کنترل آلودگی هوا از مسائل مهم محیط‌زیستی است که نیاز به روش‌های پیشرفته و مؤثر دارد. با استفاده از نانوحسگرها، می‌توان بهبود‌های موثری در کنترل آلودگی هوا داشت. این نانوحسگرها به صورت ذرات بسیار ریز از سیلیکون تولید می‌شوند و از بی‌سیم برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند. مزیت این حسگرها این است که به راحتی در هوا معلق می‌مانند و اطلاعات جمع‌آوری‌شده توسط آنها به صورت بی‌سیم به پایگاه مرکزی ارسال می‌شود. این اطلاعات شامل میزان آلودگی هوا و نیز مواد آلاینده موجود در آن است. برای مثال، این حسگرها می‌توانند آلاینده‌های هوایی نظیر ذرات معلق، گازهای سمی و آلاینده‌های شیمیایی را تشخیص دهند. با استفاده از این اطلاعات، اقدامات لازم جهت کنترل آلودگی هوا می‌تواند بهبود یابد و به حفظ محیط‌زیست کمک کند.

تشخیص نشت گازهای مهلک:

نشت گازهای مهلک به عنوان یکی از خطرات مهم در زندگی صنعتی شناخته می‌شود. با استفاده از نانوحسگرها، می‌توان به‌صورت موثرتر نشت گازهای مهلک را تشخیص داد. این حسگرها از نانوتیوب‌های تک‌لایه ساخته می‌شوند و به دلیل ساختار خاص آنها، قادر به جذب مولکول‌های گازهای سمی هستند. از جمله کاربردهای این حسگرها، تشخیص به‌هنگام گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده‌های هوا، و مولکول‌های آلی در فضا است. این قابلیت حسگرها در تشخیص گازهای مهلک می‌تواند در مواقع اضطراری و پیشگیری از حوادث جدی کمک کند و به حفظ امنیت و سلامت مردم و محیط‌زیست کمک نماید.

استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب:

استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب، روشی موثر و کارآمد در حذف آلودگی‌های موجود در آب است. غشاء مورد استفاده در نانوفیلتراسیون به راحتی مولکول‌های بزرگ را جدا می‌کند و با صرف انرژی کمتر نسبت به روش‌های دیگر، آب چاه‌ها و آب‌های سطحی را به خوبی تصفیه می‌کند. این فرایند به حذف انواع باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفت‌کش‌ها، آلاینده‌های آلی و املاح کلسیم و منیزیم از آب کمک می‌کند. از آنجا که در فرایند نانوفیلتراسیون از هیچ ماده شیمیایی برای سختی‌گیری آب استفاده نمی‌شود، اثرات منفی زیست‌محیطی این روش به مراتب کمتر از روش‌های شیمیایی است. همچنین، ذرات نانوساختار انعطاف‌پذیری زیادی در تصفیه آلاینده‌ها دارند و به راحتی می‌توانند از فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، آب و پسماندهای مایع استفاده شوند. برای مثال، ذرات دوفلزی نانوساختار مانند آهن-پالادیم، آهن-نقره و روی-پالادیم برای تصفیه آلاینده‌های محیط‌زیستی، مانند آفت‌کش‌های کلرینه با منشا آلی و حلال‌های آلی هالوژنه، کاربرد دارند و می‌توانند به تجزیه آلودگی‌های بسیار پایدار مانند ترکیبات پرکلرات، نیترات‌ها، فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو کمک کنند.

استفاده از ذرات نانوساختار می‌تواند تا حد زیادی به حل مسائل محیط‌زیستی کمک کند و در کاهش آلودگی‌ها و بهبود کیفیت محیط‌زیست نقش مهمی ایفا کند. با توجه به پتانسیل بالای نانوحسگرها و نانوفیلترها در کاربردهای مختلف، توسعه و بهره‌برداری از این فناوری‌ها می‌تواند به مدیریت بهتر محیط‌زیست کمک کند و به توسعه پایدار و حفظ منابع طبیعی کمک نماید. با ادامه تحقیقات و پژوهش‌ها در این زمینه، امیدواریم که فناوری نانو بهبودهای بیشتری در محیط‌زیست و بهره‌وری محیطی داشته باشد.

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.