معجزه یک قطره الکل در دنیای نانوحسگر‌ها

مهندسان دانشگاه مک‌کواری استرالیا، پیشگام روش جدیدی در تولید نانوحسگر‌ها هستند که به شکل قابل توجهی از کربن فشرده کمتری استفاده کرده و با هزینه‌های کمتر، کارایی و تطبیق‌پذیری را افزایش داده و فرآیند ارزشمند این بخش جهانی را چند تریلیون دلار بهبود می‌بخشد.

به گزارش خبرآنلاین، اعضای این تیم به جای فرآیند معمولی که شامل حرارت دادن مواد تا رسیدن به دمایی بالاست، از شیوه جدیدی استفاده می‌کنند و روی هر حسگر یک قطره اتانول می‌ریزند. نتایج این تحقیق اخیرا در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.

پروفسور نوشین نصیری، سرپرست آزمایشگاه نانوتکنولوژی در دانشکده مهندسی دانشگاه مک‌کواری در این باره گفته: «نانوحسگر‌ها معمولا از میلیارد‌ها نانوذره تشکیل شده‌اند که روی سطح حسگر کوچکی قرار می‌گیرند. ولی بیشتر این حسگر‌ها در ابتدا که ساخته می‌شوند، کار نمی‌کنند.»

نانوذرات با پیوند‌های طبیعی ضعیفی خود را به یکدیگر متصل کرده و در شبکه‌ای جمع می‌شوند که ممکن است آنقدر فاصله و شکاف بین نانوذرات وجود داشته باشد که مانع از ارسال سیگنال‌های الکتریکی شود و در این شرایط حسگر کار نخواهد کرد.

روند عملکرد نانوحسگر‌ها چگونه است؟

تیم دانشیار پروفسور نصیری این یافته را در جریان تلاش برای بهبود حسگر‌های نوری ماوراء بنفش، فناوری کلیدی پشت Sunwatch که باعث شد تا خانم نصیری به عنوان یکی از فینالیست‌های جایزه Eureka ۲۰۲۳ معرفی شود، کشف کردند.

نانوحسگر‌ها نسبت سطح به حجم عظیمی دارند که از لایه‌هایی از نانوذرات تشکیل شده‌اند و آن‌ها را نسبت به ماده‌ای که برای شناسایی طراحی شده‌اند، بسیار حساس می‌کند. اما اکثر نانوحسگر‌ها زمانی به شکل موثر کار خواهند کرد که در یک فرآیند زمانبر و پرانرژی ۱۲ ساعته قرار بگیرند که با استفاده از دمای بالا آن‌ها را برای همجوشی لایه‌های نانوذرات گرم می‌کند و در این شرایط کانال‌هایی ایجاد می‌شود که به الکترون‌ها اجازه عبور از لایه‌ها را می‌دهد تا بدین ترتیب حسگر‌ها کار کنند.

پروفسور نصیری ادامه داد: «کوره بیشتر حسگر‌های مبتنی بر پلیمر را از بین می‌برد و نانوحسگر‌های حاوی الکترود‌های ریز مثل آن‌هایی که در یک دستگاه نانوالکترونیک هستند، ممکن است ذوب شوند. در حال حاضر نمی‌توان از بسیاری از مواد برای ساخت حسگر‌ها استفاد کرد؛ چرا که توان مقاومت در برابر حرارت را ندارند.»

یک قطره اتانول به جای ۱۲ ساعت حرارت

در هر صورت تکنیک جدید کشف شده توسط تیم دانشگاه مک‌کواری، فرآیند بهره‌گیری از گرمای فشرده را دور زده و این امکان را فراهم می‌کند تا نانوحسگر‌ها را از طیف وسیع‌تری از مواد بسازند.

پروفسور نصیری ادامه داد: «افزودن یک قطره اتانول برروی لایه حسگر، باعث می‌شود تا نیاز به قرار دادن آن در داخل کوره نباشد و همین یک قطره اتانول به حرکت اتم‌های روی سطح نانوذرات کمک کرده و باعث می‌شود تا با پیوستن ذرات به یکدیگر، شکاف بین نانوذرات ناپدید شوند. ما نشان دادیم که استفاده از اتانول کارایی و پاسخگویی حسگر‌ها را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید و این فراتر از چیزی است که ما بعد از ۱۲ ساعت حرارت دادن به آن می‌رسیدیم.»

کشف تصادفی روش جدید

این متد جدید بعد از آن کشف شد که جیدن چن، نویسنده ارشد این مطالعه که دانشجوی کارشناسی ارشد است، در هنگام شستن یک بوته، به صورت تصادفی مقداری اتانول را روی حسگر پاشید. این در حالی است که در حالت عادی، معمولا چنین حادثه‌ای باعث از بین رفتن چنین دستگاه‌های حساسی می‌شود.

چن در این رابطه گفت: «فکر می‌کردم سنسور از بین رفته؛ ولی بعدا متوجه شدم که این نمونه از نمونه‌های دیگری که تا به آن زمان ساخته بودیم بهتر عمل می‌کند.»

پروفسور نصیری هم گفته که این اتفاق، این ایده را به آن‌ها داده، ولی اثربخشی این روش، به کار پرزحمتی که برای شناسایی حجم دقیق اتانول مصرفی انجام می‌شود، بستگی دارد. او گفت: «وقتی جیدن این نتیجه را به دست آورد، ما با دقت خیلی بالایی مقادیر مختلفی از اتانول را آزمایش کردیم. او بار‌ها و بار‌ها این تست را انجام داد تا متوجه شود که چه میزان از اتانول، موثر خواهد بود. سه میکرولیتر خیلی کم بود و هیچ تاثیری نداشت. ده میکرولیتر هم خیلی زیاد بود و باعث از بین رفتن لایه حسگر شد. اما پنج میکرولیتر کاملا کافی و دقیق بود.»

این تیم منتظر ثبت مجوز این اختراع است و قطعا این اختراع پتانسیل آن را دارد که در دنیای نانوحسگر‌ها مثل یک بمب سروصدا کند.

پروفسور نصیری ادامه داد: «ما دستورالعملی را برای کارکرد نانوحسگر‌ها ایجاد کردیم و آن را با حسگر‌های نور UV و همچنین با نانوحسگر‌هایی که دی‌اکسید کربن، متان، هیدروژن و مواد دیگر را تشخیص می‌دهند، آزمایش کردیم و تاثیر آن یکسان است. بعد از آنکه مشخص شد که یک قطره اتانول کافی است، حسگر بعد از یک دقیقه فعال شد. این یک فرآیند آهسته و بسیار انرژی‌بر را به یک فرآیند به مراتب کارآمدتر تبدیل کرد.»

همین حالا شرکت‌هایی در استرالیا و دیگر کشور‌های جهان که مشتاق به همکاری با پروفسور نصیری برای بهره‌گیری از این تکنیک هستند، با او تماس گرفته و به دنبال جذب ایشان هستند.