يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تطوير جيل جديد من أجهزة استشعار الغاز لاستخدامها من قبل وحدات التخريب، ووكالات إنفاذ القانون، والمنظمات الأمنية، وكذلك في مجموعة متنوعة من الأنظمة الصناعية.
توضح دراسة جديدة أجراها معهد رينسيلار للفنون التطبيقية كيف يمكن لرغوة الجرافين أن تتفوق على أجهزة استشعار الغاز التجارية الرائدة في السوق اليوم في الكشف عن المواد الكيميائية أو القنابل الخطرة. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تطوير جيل جديد من أجهزة استشعار الغاز لاستخدامها من قبل وحدات التخريب، ووكالات إنفاذ القانون، والمنظمات الأمنية، وكذلك في مجموعة متنوعة من الأنظمة الصناعية.
المستشعر الجديد قادر على قياس مستويات الأمونيا وثاني أكسيد النيتروجين بشكل متكرر وبنجاح بتركيزات منخفضة للغاية على مقياس 20 جزءًا في المليون. كونه يتكون من صفائح جرافين نانوية مستمرة تنمو لتصبح هيكل يشبه الرغوة بحجم طابع بريد وسمك القماش، فإن المستشعر المبتكر مرن ومتكتل ويتغلب أخيرًا على أوجه القصور التي منعت أجهزة استشعار الغاز القائمة على الهياكل النانوية من الوصول إلى السوق. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Scientific Reports.
وقال أستاذ الهندسة نيخيل كوراتكار، أحد الباحثين الرئيسيين: "نحن متحمسون للغاية لهذا الاكتشاف، ونعتقد أنه قد يؤدي إلى تطوير أجهزة استشعار تجارية جديدة للغاز". "حتى الآن، أظهرت أجهزة الاستشعار حساسية أعلى في الكشف عن الأمونيا وثاني أكسيد النيتروجين في ظروف درجة حرارة الغرفة مقارنة بأجهزة استشعار الغاز الموجودة حاليًا في السوق."
خلال العقد الماضي، أظهر العديد من الباحثين أن الهياكل النانوية الفردية حساسة بشكل خاص لمختلف المواد الكيميائية والغازات. ومع ذلك، فإن تطوير وتشغيل جهاز كشف الغاز الذي يتكون من هياكل نانوية فردية أثبت أنه معقد للغاية ومكلف وغير موثوق للاستخدام التجاري، كما يشير الباحث. يتضمن هذا الجهد بناء وضبط موضع كل بنية نانوية فردية، وتحديد موقعها بالمجهر، واستخدام الطباعة الحجرية لدمج نقاط الاتصال الذهبية، ثم تطبيق خطوات أخرى مكلفة وبطيئة. عند تضمينها في جهاز محمول، قد تتضرر هذه البنية النانوية الفردية بسهولة وتصبح غير نشطة. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون من الصعب إزالة الغاز المحصور من البنية النانوية. يشتمل الهيكل المطور حديثًا على جميع الخصائص الإيجابية لبنية نانوية واحدة، ولكن من الأسهل التعامل معه بفضل حجمه العياني.
بدأ الباحثون بزراعة الجرافين من خلال بنية من رغوة النيكل. بعد إزالة رغوة النيكل، ما تبقى هو شبكة مجوفة من الجرافين الشبيه بالرغوة. وتتكون جدران المستشعر المبنية على مادة الجرافين الشبيهة بالرغوة من صفائح جرافين متواصلة دون أي فواصل أو انقطاعات مادية بينها. قرر فريق الباحثين استخدام هيكل رغوة الجرافين ككاشف للغاز. ونتيجة لتعريض رغوة الجرافين للهواء الملوث بالأمونيا أو ثاني أكسيد النيتروجين، وجد الباحثون أن جزيئات الغاز تلتصق أو يتم امتصاصها في هيكل الرغوة. التغيير في كيمياء السطح له تأثير كبير على المقاومة الكهربائية للجرافين. وقياس هذا التغير في المقاومة هو الآلية التي تعتمد عليها قدرة المستشعر على اكتشاف الغازات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن مستشعر الغاز المعتمد على الجرافين سهل التنظيف - من خلال تطبيق تيار 100 مللي أمبير عبر بنية الجرافين، تمكن الباحثون من تسخين رغوة الجرافين بدرجة كافية لإبعادها، أو إزالة جميع جزيئات الغاز الممتصة. آلية التنظيف هذه ليس لها أي تأثير على قدرة رغوة الجرافين على كشف الغازات، أي أن عملية الكشف قابلة للعكس تماما والجهاز المعتمد على هذه التقنية الجديدة سوف يستهلك طاقة منخفضة – لن تكون هناك حاجة لأجهزة تسخين خارجية للتنظيف الرغوة - وستكون قابلة لإعادة الاستخدام بفضل هذا.
اختار الباحثون الأمونيا كغاز اختبار لإثبات صحة مفهوم هذا الكاشف. توجد مادة نترات الأمونيوم في العديد من المتفجرات ومن المعروف أنها تتحلل وتطلق آثار الأمونيا. ونتيجة لذلك، تُستخدم أجهزة كشف الأمونيا بشكل شائع للكشف عن وجود المتفجرات. وتستخدم الأمونيا، وهي أيضًا غاز سام، في مجموعة متنوعة من العمليات الصناعية والطبية، حيث يلزم وجود أجهزة كشف الأمونيا للكشف عن التسربات.
وأظهرت نتائج البحث أن هيكل رغوة الجرافين الجديد يكتشف الأمونيا بتركيز 1000 جزء في المليون خلال 10-5 دقائق عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. وكان التغير المصاحب للمقاومة الكهربائية في الجرافين عند مستوى 30 بالمائة. تتم مقارنة ذلك بأجهزة الاستشعار المتاحة تجاريًا والتي تتكون من بوليمرات موصلة، والتي تخضع لتغير في المقاومة بنسبة 30 بالمائة خلال 10 إلى 5 دقائق عند تعريضها لمستوى 10000 جزء في المليون من الأمونيا - أي أنه في نفس المدة وتغير المقاومة، يتحلل الجرافين. الكاشف أكثر حساسية بعشر مرات. تصل حساسية كاشف الجرافين إلى مستوى 20 جزءًا في المليون - وهي قيمة أقل بكثير من تلك الموجودة في الأجهزة المعاصرة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من الأجهزة المتاحة تجاريًا تستهلك الكثير من الطاقة لأنها تظهر حساسية مناسبة فقط عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما يعمل كاشف الجرافين في درجة حرارة الغرفة.
استخدم فريق الباحثين مركب ثاني أكسيد النيتروجين كغاز اختبار ثانٍ، حيث تتحلل المتفجرات المختلفة، بما في ذلك النيتروسليلوز، ببطء بينما ينبعث منها غاز ثاني أكسيد النيتروجين كمنتج ثانوي. ونتيجة لذلك، يستخدم هذا المركب أيضًا كعلامة للكشف عن المتفجرات. بالإضافة إلى ذلك، يعد هذا الغاز من الملوثات الربحية المنبعثة من غرف الاحتراق في العديد من المركبات والعديد من أنظمة الرصد البيئي المختلفة تحدد تركيزات هذا الغاز في الوقت الحقيقي. يكتشف مستشعر الجرافين الجديد ثاني أكسيد النيتروجين عند مستوى 100 جزء في المليون مع تغير في المقاومة بنسبة 10 بالمائة خلال 10-5 دقائق عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. وكان هذا المستشعر أكثر حساسية بعشر مرات من المستشعرات الموجودة القائمة على البوليمر الموصل، والتي تكتشف تركيزات ثاني أكسيد النيتروجين عند مستوى 10 جزء في المليون في نفس الظروف. مستشعر الجرافين حساس حتى 1000 جزءًا في المليون في درجة حرارة الغرفة.
يقول الباحث الرئيسي: "نحن نعتبر هذا الجهاز أول مستشعر عملي للغاز يعتمد على هياكل نانوية مناسبة للتسويق التجاري". يمكن تعديل المستشعر الجديد بحيث يمكنه أيضًا اكتشاف الغازات الأخرى إلى جانب الأمونيا وثاني أكسيد النيتروجين.
أخبار الدراسة
