لاحظ باحثون من ولاية أوهايو التغيرات في التوصيل الكهربائي لأكسيد النيكل التي تحدث استجابة لامتصاص المواد السامة التي تنشأ في الهواء على سطحه.
طور باحثون من جامعة أوهايو في الولايات المتحدة الأمريكية طريقة مبتكرة لتحضير جسيمات نانوية من أكسيد المعدن صغيرة ونظيفة للغاية. ويستخدمون هذه الطريقة البسيطة والسريعة ومنخفضة الحرارة لصنع المواد المستخدمة في أجهزة استشعار الغاز التي تكتشف المواد الكيميائية الصناعية السامة وحتى عوامل الحرب البيولوجية. ونشرت نتائج البحث مؤخرا في المجلة العلمية كيمياء المواد والفيزياء.
تقود الباحثة باتريشيا موريس، أستاذة علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية أوهايو، فريقًا من العلماء الذين طوروا مواد صلبة قادرة على اكتشاف المواد الكيميائية السامة.
وتشير إلى أن التحدي يكمن في تطوير مادة تتفاعل بسرعة وبشكل موثوق مع مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك المواد الكيميائية الصناعية السامة، والتي سيتم دمجها في أجهزة الاستشعار. يوضح الباحث: "هذه أجهزة استشعار سيتمكن الجنود في ساحة المعركة، أو مقدمو الإسعافات الأولية لحوادث العمل في المصانع من تفعيلها".
المادة التي تمت دراستها هي أكسيد النيكل، الذي يتمتع بخصائص إلكترونية غير عادية. وتقوم مختبرات أخرى باختبار نفس المادة لاستخدامها في البطاريات، وخلايا الوقود، والخلايا الشمسية، وحتى الطلاءات المتغيرة اللون. ومع ذلك، فإن فريق البحث هذا مهتم أكثر بالتغيرات في التوصيل الكهربائي للمادة والتي تحدث استجابة لامتصاص المواد السامة المحمولة بالهواء على سطحها. يمكن إدخال طبقة رقيقة من المادة في الأنظمة الإلكترونية الميكانيكية الدقيقة (على غرار رقائق الكمبيوتر)، من أجل تحديد وتحديد المواد السامة المعروفة.
تعمل الفكرة وفقًا لنفس المبدأ الأساسي لمستشعر آخر أكثر شيوعًا يسمى "الأنف". يوضح الباحث: "يستخدم الأنف البشري إشارات صادرة عن مئات الآلاف من الخلايا العصبية الحسية للكشف عن المواد الكيميائية المختلفة". "هنا، نستخدم مجموعة من الاستجابات الإلكترونية لتحديد التوقيع الفريد لمادة سامة معروفة."
يكمن مفتاح التشغيل الفعال للمستشعر في جودة تحضير جزيئات أكسيد النيكل. قام فريق البحث بتطوير طريقة تركيب مبتكرة تنتج جزيئات صغيرة جدًا - والتي تزود المستشعر بمساحة سطحية عالية جدًا لامتصاص الجزيئات الكيميائية من الهواء - وتكون نقية جدًا - مما يوفر للمستشعر مستوى عالٍ جدًا من الحساسية. ويبلغ حجم كل جسيم من أكسيد النيكل حجم خمسين ذرة فقط – أي ما يعادل خمسة نانومترات.
ويصف الباحث طريقة الإنتاج كالتالي: "ببساطة، تقوم بخلط جميع المكونات معًا في خزان الضغط، ووضعها في الفرن، وغسل المادة وتصبح جاهزة للاستخدام".
وبطبيعة الحال، لكي يعمل كل هذا بسلاسة، يجب على الباحثين الوصول إلى ظروف درجة حرارة وضغط محددة ومناسبة وترك الخليط في الفرن لفترة زمنية محددة. في هذه الدراسة قاموا بتشغيل الفرن إلى درجة حرارة 225 درجة مئوية لمدة 12 إلى 24 ساعة. "وقت التسخين قصير جدًا - لن يتشكل أكسيد النيكل، ووقت طويل جدًا - يتم أكسدة الأكسيد إلى المعدن الأصلي"، يوضح الباحث. بعد إخراج الحاوية من الفرن، يتم غسلها بمذيب عضوي (ميثيل إيثيل كيتون) لتحرير الجسيمات النانوية. في هذه المرحلة تكون المادة جاهزة للاستخدام. تتطلب طرق التوليف الأخرى أيضًا خطوة أخرى - المعالجة بدرجة حرارة عالية.
في الخطوة التالية، قام الباحثون بربط طبقة من هذه الجسيمات النانوية بمجموعة استشعار دقيقة من شريحة زوران باستخدام جهاز يعرف باسم "موزع القطرات البيكومترية" حيث يبلغ حجم كل قطرة جزءًا من تريليون من اللتر. ويصف الباحث الجهاز بأنه نوع من طابعة الحقن التي تضع قطرة من السائل تحتوي على الجسيمات النانوية على السطح - في هذه الحالة، رقائق القالب. ووفقا للباحثين، فهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تطبيق جزيئات أكسيد النيكل النانوية بهذه الطريقة.
ومع ذلك، بالنسبة للباحثين، فإن النتيجة الأصلية والفريدة من نوعها للبحث تكمن على وجه التحديد في أول اكتشاف على الإطلاق لآلية التفاعل نفسها - أي الخطوات الكيميائية المختلفة التي تحدث داخل الفرن وخزان الضغط أثناء تصنيع المادة. . والآن، عندما يفهم الباحثون آلية التفاعل، يمكنهم التخطيط لطرق لإدخال إضافات إلى الجسيمات النانوية. يمكن لمثل هذه الإضافات تغيير وظيفة المستشعر - على سبيل المثال، تسريع وقت التفاعل. ويبلغ سعر إنتاج جرام واحد من جزيئات أكسيد النيكل النانوية خمسة دولارات؛ تحتوي شريحة واحدة على حوالي أربعة نانوجرام من المادة، وبالتالي فإن سعر إنتاج كل مستشعر منخفض للغاية.
يمكن أن تكون التطبيقات الإضافية للمادة في مراقبة الانبعاثات والتلوث ومراقبة جودة الهواء.
أخبار جامعة ولاية أوهايو
