برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۶/۰۴/۰۳ تا ۱۳۹۶/۰۴/۰۹

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۲۵۷
  • بازدید این ماه ۳۸
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

کاربرد نانوحسگرها

مقدمه

     همانطور که در بخش‌های آموزشی پیشین گفته شد نانوحسگر وسیله‏ای بسیار ریز است که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی و شیمیایی در مقیاس نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در صنایع مختلف از قبیل بیوپزشکی، محیط زیست، ارتباطات و تولید مواد هوشمند یافتهاند. در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.
1- غبارهای هوشمند جهت کنترل آلودگی هوا

     یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایشِ مستمر آلودگی هوا است. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت موثری در زمینهی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. با اختراع اولین نمونه‌های غبار هوشمند، تولید این گونه حسگرها به مرحلهی کاربرد عملی نزدیک شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعهای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانورایانههای بسیار سبک است. این نانوحسگرها بهراحتی ساعت ها در هوا معلق باقی میمانند.
این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته میشوند و میتوانند از طریق فرستنده‌ی موجود در خود، اطلاعات جمع‌آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات در نمونه های اولیه حدود یک کیلوبایت در ثانیه است.

2- نانوحسگرهای گازی

     ساخت نانوحسگرهای گازی یکی از موضوعات قابل توجه در دهه‌های اخیر به جهت کاربردهای فراوان آنها در صنایع مختلف غذایی، شیمیایی، بهداشتی، نظامی و حتی تحقیقات فضایی بوده است. نشت گازهای مهلک یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متاسفانه هشداردهنده های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی اینگونه گازهای نشتی میشوند. نمونه‌هایی از این نوع حسگرها از نانولوله های تکلایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شدهاند و میتوانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند. آنها همچنین قادر به شناسایی تعداد معدودی از مولکولهای گازهای مهلک در محیط هستند. اینگونه حسگرهای گازی برای شناسایی گازهای آمونیاک و دیاکسید نیتروژن که از جمله گازهای سمی به شمار میروند، با موفقیت آزمایش شده اند.
     همچنین طی سال‌های اخیر نانوحسگرهای اکسیدهای فلزی توجه زیادی را در حوزه علوم پایه و کاربردی به خود جلب کرده‌اند. این حسگرها عمدتا از نیمه هادی‌های اکسید فلزی همچون نانو اکسید قلع، نانو اکسید روی و نانو اکسید مس ساخته می‌شوند. نمونهی آزمایشی این حسگرها قادر به شناسایی آنی مولکولهای آمونیاک و دیاکسید نیتروژن در غلظت ppm 20 (یعنی 20 قسمت در یک میلیون قسمت) شده است. محققان مدعی اند که این حسگرها برای شناسایی به هنگام گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلایندههای هوا و حتی مولکولهای آلیِ موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

filereader.php?p1=main_c16a5320fa475530d

شکل1: نانوحسگر گازی: این تصویر، سازوکارِ اندازهگیری گاز CO2 را نشان میدهد

3- کاربرد نانوحسگرها در بسته بندی مواد غذایی

     نانوحسگرها در بسته بندی مواد غذایی با عنوان برچسب یا پوشش اضافه می‌شوند که باعث حصول اطمینان مصرف کننده از لحاظ یکپارچگی بسته بندی از طریق تشخیص نشت (برای مواد غذایی بسته بندی شده تحت خلاء و یا گاز بی‌اثر)، شناساگرهای تغییرات دما-زمان (منجمد شدن- خروج از انجماد- انجماد دوباره) و یا ایمنی میکروبی (فساد موادغذایی) می‌شود.
با استفاده از فناوری نانو امکان ساخت نانوحسگرهایی وجود دارد که قابلیت استفاده در چرخه‌های تولید مواد غذایی و همچنین در بسته بندی غذایی به منظور تشخیص میکروارگانیسم‌های مختلف را دارند. این حسگرها علاوه بر حساسیت بالا، زمان تشخیص را نیز کاهش می‌دهند.
نانوحسگرها همچنین قادر به تشخیص ویروس قبل از تکثیر آن هستند. برخی از قابلیت‌های بالقوه‌ی نانوحسگرهای زیستی عبارتند از: تشخیص آلودگی‌های بیماری‌زا، شرایط محیطی(روشنایی و تاریکی، سردی و گرمی، خشکی و رطوبت) و ترکیب‌های حساسیت‌زا.
به طورکلی، اهدافی که از ترکیب فناوری نانوحسگرها با فیلم‌های بسته بندی دنبال می‌شود عبارتند از: یافتن اکسیژن، ارائه زمان و تاریخ، نمایش رشد میکروب، یافتن اتیلن، نمایش شوک‌های فیزیکی، گرمایش و سرمایش ماده غذایی، نمایش نشت یا فساد میکروبی، جذب بو و طعم و افزایش آنها و جذب رطوبت.

4- کاربرد نانوحسگرها در کشاورزی

     با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه‌های کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینه‌ی نانوابزارها جزء پژوهش‌های علمی به روز دنیاست.

5- کاربرد نانوحسگرها در پزشکی

     معروف‌ترین مثال از نانوحسگرها که در پزشکی استفاده می‌شود کادمیم سلنید (CdSe) است. این ترکیب برای تشخیص تومورهای سرطانی با استفاده از ویژگی‌های فلورسانس عمل می‌کند.
همچنین از میان این حسگرها می‌توان به حسگر بر پایه نانوسیم‌ها اشاره کرد که آسیب‌های ناشی از تشعشع را در فضانوردان تشخیص می‌دهد. این نانوحسگرها در سلول‌های خونی قرار داده می‌شوند.
همچنین آزمایشگاه روی تراشه (LOC) دستگاهی است که از یک یا چند عملگر آزمایشگاهی روی یک تراشه به ابعاد چند میلی‌متر یا سانتی‌متر مربع تشکیل شده است و با حجم‌های بسیار کم مایعات سروکار دارد و اطلاعات موردنظر زیادی را می‌تواند از یک نمونه به ما بدهد.

6- استفاده از نانوسیم‌های 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 نانوسیم‌های ساخته شده از مواد نیمه رسانا برای مثال اکسید روی (ZnO) ایجاد می‌شود، هدایت سیم تغییر می‌کند. مقدار تغییر هدایت نانوسیم به میزان اتصال مولکول به سطح نانوسیم بستگی دارد. برای مثال، گاز دی اکسید نیتروژن هدایت نانو سیم را کاهش می‌دهد و منواکسید کربن هدایت را افزایش می‌دهد.

7- نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌ها برای شناسایی باکتری و ویروس

     این مواد اغلب می‌توانند برای شناسایی باکتری یا ویروس استفاده شوند. ابتدا نانولوله کربنی با اتصالات آنتی بادی عامل‌دار می‌شود. وقتی که باکتری یا ویروس با آنتی بادی پیوند برقرار می‌کند، هدایت نانولوله تغییر می‌یابد. در روش دیگر نانولوله به فلز متصل می‌شود و یک ولتاژ از آن عبور می‌کند. وقتی یک باکتری یا ویروس با نانولوله پیوند برقرار می‌کند، جریان تغییر می‌یابد و یک سیگنال تولید می‌شود. دانشمندان معتقدند که این روش، یک روش سریع برای تشخیص باکتری است.

filereader.php?p1=main_6364d3f0f495b6ab9
شکل 2: نمونه‌ای استفاده از نانولوله‌ی کربنی تک دیواره به عنوان نانوحسگر

8- نانوحسگرهای مولکولی مکانیکی

     این وسیله جهت توسعه حسگرهایی که قادر به تعیین یک مولکول هستند، استفاده می‌شوند. در این حسگرها وقتیکه مولکول مورد تجزیه بر نوسانگر کانتیلیور(انبرک) قرار می‌گیرد، در فرکانس رزونانسی کانتیلیور تغییر ایجاد می‌شود. 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.
کانتیلورها سکوهای فنری در اندازه‌های نانو و میکرو هستند و بر مبنای انحراف سکو و یا تغییر فرکانس رزونانسی حاصل در سطح کانتیلور عمل می‌کنند.

filereader.php?p1=main_182be0c5cdcd5072b
شکل 3: نانوحسگر مکانیکی شامل آرایه‌ای از کانتیلیورها برای شناسایی مولکولی

9- کاربرد نانوحسگرها در پارچه‌های هوشمند

     نانولوله‌های کربنی جهت تهیه حسگرها در پارچه‌ها استفاده می‌شوند. از آنجا که ماهیت نانولوله‌ها توخالی است، تحت فشار خارجی قطر نانولوله‌ها تغییر می‌کند. با سنجش این فشار شعاعی، فشار وارد شده برروی نانولوله‌ها قابل اندازه‌گیری است.
همچنین از نانولوله‌های کربنی جهت ساخت حسگر حرارتی جهت استفاده در پارچه‌های هوشمند استفاده شده است. با تغییرات دمایی، قطر و طول لوله تغییر می‌کند. همچنین ضریب انبساط حرارتی نانولوله‌های کربنی تک دیواره در جهت محوری و شعاعی متفاوت هستند و وابسته به دما است.

10- استفاده از نانو حسگرها برای تشخیص ترکیبات آب و پساب

     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 تصفیه‌ی پساب شناسایی شده‌اند. به طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافته 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 محفظه‌ی دربسته نیز چنین تجهیزاتی تولید شده‌اند. این حسگرها روش سریع‌تر و نسبتا ساده‌ای را برای پیگیری تغییرات در کیفیت آب و فاضلاب صنعتی فراهم می‌آورند.





منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو

مقالات سایت آموزش ستاد نانو

ماهنامه فناوری نانو شماره4 تیر1389