برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۶/۰۵/۲۸ تا ۱۳۹۶/۰۶/۰۳

ضمائم مقاله
آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۰,۳۶۵
  • بازدید این ماه ۴۵۴
  • بازدید امروز ۹
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۷۶
  • قبول شدگان ۲۹۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۶۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

طرح درس

منابع پیشنهادی هفتمین مسابقه ملی-عناوین کلی, منابع پیشنهادی هفتمین مسابقه ملی–عناوین مهم

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوحسگر

نانوحسگر وسیله‏ای است بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته‏اند. گستره عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتر است، به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند؛ به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند. از نانولوله ها، نانوذرات فلزی و نانو ذرات مغناطیستی بیشتر برای ساخت حسگر استفاده می شود. نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی، و دفاعی دارند.
1- مقدمه
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.
اندازه گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرهای از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می کنند که حساسیت این نوع از نانو مواد به حد کافی بالا می باشند. همچنین موادی که از نانو حسگرها ساخته می-شوند بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند. با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند،‌ دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت،‌ بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی داشته اند. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها می باشد. علاوه بر نانولوله های از نانو ذرات فلزی و نانوذرات مغناطیستی نیز استفاده می شود. تحقیقات نشان می‌دهد که نانو لوله‌ها به نوع گازی که جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی،‌ قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانو لوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانو لوله‌های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانو لوله‌های کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کند. همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، نانو لوله‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.

2- روش های تهیه نانوحسگر
در حال حاضر چند راه برای تولید نانوحسگرها وجود دارد. از این دست لیتوگرافی به عنوان شیوه ای بالا به پایین در اکثر مدارهای مجتمع به‌کار می‌رود. این روش شامل شروع از یک بلوک بزرگتر از برخی مواد و کنده کاری کردن و ایجاد فرم مورد نظر است.
راه دیگر برای تولید نانوحسگر روش‌های از پایین به بالاست که شامل سامان یافتن (Montage) حسگر از اجزای کوچکتر، به احتمال زیاد اتم ها و مولکول ها است. این امر شامل حرکت اتم های یک ماده خاص به موقعیت خاص است که توسط بررسی های آزمایشگاهی بااستفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ اتمی بدست می آید.
راه سوم شامل استفاده از نانوساختارهای خاص است که بتوان به عنوان حسگر استفاده کرد. یکی از مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها خواهند بود. با نانو لوله‌ها می‌توان،‌ هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتری بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.
جهت ساخت حسگر گاز با پایه نانو لوله کربنی می توان نانو لوله ها را روی زیر پایه رشد داد یا با استفاده از نانو لوله های آماده و بکار گیری روش هایی مانند اعمال جریان الکتریکی آنها را روی زیر پایه قرار داد. در سال 2002، ویکتور وهمکارانش سه نوع الکترود میکرونی با شکل های مختلف، توسط فرآیندهای متفاوت روی زیر پایه شیشه ای ساختند و با اعمال جریان سعی کردند نانو لوله های کربنی را بین الکترودها بنشانند. از آنجا که چسبندگی طلا به شیشه کم است از نیکل برای زیرطلا استفاده شد. مقدار 10 میلی گرم نانو لوله های کربن چند دیواره در 500 میلی لیتر اتانول پخش شده و10میکرولیتر با روش تعلیق به روی شیشه منتقل می گردد. در اثر اعمال جریان Ac با فرکانس 1 مگاهرتز، اتانول در 20 ثانیه تبخیر می شود. نانو لوله های کربن چند دیواره بین دو الکترود قرار گرفته و مقاومت 6.12 کیلواهم را نشان دادند (شکل 1).

filereader.php?p1=main_6f8c51a9e269c6a7c
شکل 1- استفاده از نانولوله¬ها در تولید نانوحسگرها [1]

قرار گرفتن نانو لوله های کربنی چند جداره بین الکترودهای طلا تشکیل اتصال به فاصله ی بین دو الکترود بستگی دارد. طبق مشاهدات، در فاصله ی بیشتر از 25میکرومتر با فرکانس بین 100 هرتز تا 1 مگاهرتز هیچ اتصالی تشکیل نمی شود. برای فاصله ی بین 10 تا 15 میکرومتر، اتصال نانو لوله های کربن چند دیواره در همین محدوده¬ی فرکانس ایجاد شده است. مقاومت های حاصل نیز 158، 60 و 78 کیلواهم می باشند. شکل الکترودها نیز در تشکیل اتصال مؤثر است. حالت مربعی ایده آل است زیرا فاصله ی بین الکترودها در سرتاسر آن ثابت بوده و میدان الکتریکی یکنواختی اعمال می شود.

2-1- انواع نانو حسگرها
نانوحسگرها انواع مختلفی دارند که شامل حسگرهای شیمیایی و سنتزی می باشد.

2-2-1- حسگرهای 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 ازنانولوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای 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.

عنوان : ویژگی های الکتریکی نانولوله های کربنی

توضیحات : به علت ابعاد نانومتری قطر در نانولوله های کربنی، کوانتیده بودن حالت های الکترونی در سراسر محیط لوله افزایش می یابد. الکترون ها بسته به نحوه آرایش نانولوله های کربنی به طور متفاوتی در طول نانو لوله حرکت می کنند که باعث ایجاد خصوصیات نیمه رسانایی یا خصوصیات فلزی در این مواد می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1 : ویژگی های الکتریکی نانولوله های کربنی

2-2-2- حسگرهای سنتزی
این نانوحسگرها از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانولوله های کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور یا بدون حضور ذرات تهیه می شوند. این نانوحسگرها اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می شوند.

3- کاربرد نانوحسگرها
در زیر مثال‌هایی از کاربرد نانوحسگرها جهت آشنایی بیشتر آورده شده است:

3-1- حسگرها با استفاده از نانوسیم های نیمه هادی برای تعیین عناصر
این حسگرها قادر به تعیین یک گستره وسیع از بخارهای شیمیایی هستند. وقتی که پیوند مولکولی بین گاز مورد تجزیه و نانوسیم های ساخته شده از مواد نیمه رسانا برای مثال اکسید روی (ZnO) ایجاد می شود، هدایت سیم تغییر می کند. مقدار تغییر هدایت نانو سیم به میزان اتصال مولکول به سطح نانوسیم بستگی دارد. برای مثال، گاز دی اکسید نیتروژن هدایت نانو سیم را کاهش می دهد و منواکسید کربن هدایت را افزایش می دهد.

3-2- نانولوله‌های کربنی و نانوسیم ها برای شناسایی باکتری و ویروس
این مواد اغلب می توانند برای شناسایی باکتری یا ویروس استفاده شوند. ابتدا نانولوله کربنی با اتصالات آنتی بادی (Antibody) عامل دار می شود. وقتی که باکتری یا ویروس با آنتی بادی پیوند برقرار می کند هدایت نانولوله تغییر می¬یابد. در روش دیگر نانولوله به فلز متصل می شود و یک ولتاژ از آن عبور می کند. وقتی یک باکتری یا ویروس با نانولوله پیوند برقرار می کند، جریان تغییر می یابد و یک سیگنال تولید می شود. دانشمندان معتقدند که این روش، یک روش سریع برای تشخیص باکتری می باشد.

3-3- نانوحسگرهای مولکولی مکانیکی
این وسیله جهت توسعه حسگرهایی که قادر به تعیین یک مولکول هستند استفاده می-شوند. در این حسگرها وقتی که مولکول مورد تجزیه بر نوسانگر کانتیور قرار می گیرد، در فرکانس رزونانسی کانتیلیور تغییر ایجاد می شود. پوشش دادن کانتیور با مولکول‌های پذیرنده‌ای مانند آنتی بادی‌ها (که می‌توانند به صورت اختصاصی با باکتری، ویروس یا برخی زیست‌مولکول‌ها پیوند برقرار کنند)، کارآیی سامانه را افزایش می‌دهد (شکل 2). جهت مطالعه بیشتر این مبحث می توانید به مقالات "حسگرهای زیستی نانومکانیکی" مراجعه فرمایید.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2 - نانوحسگر مکانیکی شامل آرایه‌ای از کانتیلیورها برای شناسایی مولکولی [2]

در شکل 3 نیز مثالی از نانوحسگر برای شناسایی مولکول هیدروژن ارائه شده است. در حضور گاز هیدروژن تغییر ولتاژ مشاهده می شود.
filereader.php?p1=main_9009a1396952dd38a
شکل 3 - نانوحسگر پالادیم برای شناسایی مولکول هیدروژن [2]

3-4- کاربرد نانوحسگرها در پارچه های هوشمند
نانو لوله های کربنی جهت تهیه حسگرها در پارچه ها استفاده می شوند. از آنجا که ماهیت نانولوله ها توخالی می باشد، تحت فشار خارجی قطر نانولوله ها تغییر می کند. با سنجش این فشار شعاعی، فشار وارد شده برروی نانو لوله ها قابل اندازه‌گیری است.
همچنین از نانولوله های کربنی جهت ساخت حسگر حرارتی جهت استفاده در پارچه-های هوشمند استفاده شده است. با تغییرات دمایی قطر و طول لوله تغییر می کند. همچنین ضریب انبساط حرارتی نانو لوله های کربنی تک دیواره در جهت محوری و شعاعی متفاوت هستند و وابسته به دما می باشد.

عنوان : پایداری حرارتی نانولوله ها

توضیحات : نانولوله های کربنی می توانند مانند فلزات یا نیمه رسانه ها عمل کنند و با توجه به ساختار، قطر و چرخش خواص فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند . نانولوله های کربنی تا دماهای بالای °C۱۰۰۰ پایداری حرارتی دارند و هدایت حرارتی آنها mK-1 W۶۰۰۰ است که دو برابر الماس می باشد. انرژی گرمایی در نانولوله ها در یک جهت و توسط امواج صوتی و در راستای محور لوله، حمل می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای3 : پایداری حرارتی نانولوله ها

عنوان : استحکام مکانیکی نانولوله های کربنی

توضیحات : نانولوله های کربنی دارای استحکام کششی منحصر به فرد (۱۰۰ برابر بیشتر از استیل و ۱۰ برابر قویتر ازKelvar و مدول یانگ بالا (۷ برابر استیل) می باشند. این ترکیبات بیش از پنج برابر طول اولیه شان کشیده می شوند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 4: استحکام مکانیکی نانولوله های کربنی

3-5- استفاده در کشاورزی
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه های کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

3-6- استفاده در پزشکی
معروف ترین مثال از نانوحسگرها که در پزشکی استفاده می شود کادمیم سلنید (CdSe) می باشد. این ترکیب برای تشخیص تومورهای سرطانی با استفاده از ویژگی هی فلورسانس عمل می‌کند.
همچنین از میان این حسگرها می‌توان به حسگر برپایه نانوسیم‌ها اشاره کرد که آسیب‌های ناشی از تشعشع را در فضانوردان تشخیص می‌دهد. این نانوحسگرها در سلول‌های خونی قرار داده می‌شوند.

3-7- نانو لوله های کربنی به عنوان حسگر گاز
برای تشخیص گازهای شیمیایی ابتدا نانولوله کربنی را با پیوند دادن به یک فلز برای مثال طلا عامل دار می کنند. ملکول گاز با با فلز پیوند برقرار کرده و این باعث تغییر در هدایت نانو‌لوله کربنی می گردد. این نوع از حسگرها به صورت تجاری قابل دسترس می باشند.

3-8- نانوحسگرهای زیستی
نانوحسگرهای زیستی معمولا الکترودهای بسیار کوچکی در اندازة نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم‌های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه‌های شیمیایی یا زیستی مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه‌ها در سیستم‌های زیستی استفاده می‌شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول‌ها از دیواره یا غشای سلولی است.

3-9- نانو حسگرها در تصفیه آب و پساب
از آنجایی که بسیاری از خواصی که انتظار می‌رود توسط حسگرها اندازه‌گیری شود در سطح مولکولی یا اتمی هستند، از نانوتکنولوژی در کاربردهای حسگری یا شناسایی استفاده زیادی می‌شود.
حسگرهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شده‌اند از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردارند و معمولا عملکرد انتخابی دارند می‌باشند. بنابراین تأثیر نانو تکنولوژی بر حسگرها فوق‌العاده عمیق و گسترده است.
به طور کلی به منظور کنترل بوی ناخوشایند، لازم است تا اندازه‌گیری‌هایی مبنی بر میزان بوی منتشر شده انجام شود. ترکیبات بسیاری در بوهای ناشی از تصفیة پساب شناسایی شده‌اند. به طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافتة گوگرد یا نیتروژن، اسیدهای آلی، آلدئیدها یا کتون‌ها.

در سال‌های اخیر حسگرهای تجاری تحت مجموعه‌ای که بینی (Nose) الکترونیکی نامیده می‌شوند ارائه شده است. از این حسگرها برای شناسایی میکروارگانیسم‌ها و فلزات سنگین در آب آشامیدنی (مانند کادمیوم، سرب و روی) استفاده می‌شود. همچنین به منظور شناسایی و تعیین مشخصات بوهای ناشی از مخلوط بخار جمع شده در بالای یک جامد یا مایع موجود در یک محفظة دربسته نیز چنین تجهیزاتی تولید شده‌اند. این حسگرها روش سریع‌تر و نسبتاً ساده‌ای را برای پیگیری (Monitoring) تغییرات در کیفیت آب و فاضلاب صنعتی فراهم می‌آورند.

4- نتیجه گیری
نانوحسگر وسیله‏ای است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی در مقیاس نانومتر است. نانو مواد استفاده شده در ساخت نانو حسگرها اغلب نانو لوله‌ها، نانو ذرات فلزی و نانوذرات مغناطیستی می باشد. در این مقاله انواع نانو حسگرها توضیح داده شده است و همچنین کاربردهایی برای آنها در زمینه پزشکی، کشاورزی، تصفیه آب و نساجی و.....آورده شده است.

منابـــع و مراجــــع

1. http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/146

2. http://www.wifinotes.com/nanotechnology/how-nanosensors-works.html

3. Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA. "Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes". Science. Vol. 283pp. 1513–1516, (1999).

4. Modi, A., Koratkar, N., Lass, E., Wei, B., Ajayan, P. M. "Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes". Nature. Vol. 424, pp.171–174, (2003).

5. Kong, J., Franklin, N.R., Zhou, C., Chapline, M.G., Peng, S., Cho, K., Dai, H. "Nanotubes Molecular Wires as Chemical Sensors". Science. Vol.287 (5453), pp.622–625, (2000).

نظرات و سوالات

نظرات

8 0

هادی قاسمی - ‏۱۳۹۲/۱۲/۰۴

بابت اطلاعات مفید ارائه شده بسیار تشکر.

ولی اطلاعات ارائه شده در زمینه کشاورزی خیلی کم و سطحی بود. پیشنهاد میکنم از فعالان در عرصه کشاورزی اطلاعات کسب بشه

2 0

رامین محمدی آلوچه - ‏۱۳۹۲/۰۹/۲۰

مناسب

1 0

سونیا شهبازی - ‏۱۳۹۲/۰۷/۰۱

خوب بود مرسی