استفاده از حسگرهای شيميايی جهت بهبود فراورده های صنعتی، بالا بردن استانداردهای زيست محيطی و كاهش هزينه های توليد در صنايع شيميايی گسترشی روزافزون داشته و با وارد شدن فناوری های نانو، به ويژه استفاده از مواد نانو متخلخل در ساخت حسگرهای ياد شده، ابعاد تازه تری يافته است. در اين مقاله نخست به خواصی كه در ساخت اين حسگرها مورد توجه قرار می گيرد، اشاره می شود و سپس با معرفی مواد نانو متخلخل، چشم اندازی در كاربرد اين مواد و اثری كه در بهبود خواص حسگرهای گازی دارند ارايه خواهد شد.

استفاده از حسگرهای شيميايی جهت بهبود فراورده های صنعتی، بالا بردن استانداردهای زيست محيطی و كاهش هزينه های توليد در صنايع شيميايی گسترشی روزافزون داشته و با وارد شدن فناوری های نانو، به ويژه استفاده از مواد نانو متخلخل در ساخت حسگرهای ياد شده، ابعاد تازه تری يافته است. در اين مقاله نخست به خواصی كه در ساخت اين حسگرها مورد توجه قرار می گيرد، اشاره می شود و سپس با معرفی مواد نانو متخلخل، چشم اندازی در كاربرد اين مواد و اثری كه در بهبود خواص حسگرهای گازی دارند ارايه خواهد شد.

واژه ی حسگر در شيمی تجزيه برای وسايلی به كار می رود كه گونه ی شيميايی ويژه ای را مورد بررسی پيوسته قرار می دهند مانند الكترودهای شيشه ای و الكترودهای يون گزين كه در آزمايشگاه های گوناگون كاربرد دارند.

هر حسگر به طور معمول يك مبدل را شامل می شود كه با يك فاز گزينشی شيميايی جهت انجام شناسايی جفت شده است. مبدل، تبديل اطلاعات غيرالكتريكی به الكتريكی و عكس آن را به عهده دارد. مانند ديودهای نوری، تكثيركننده های نوری، ولت سنج ها و هدايت سنج ها.

در ساختار يك حسگر، ماده ی نانو متخلخل نقش فاز گزينشی شيميايی را به عهده دارد. پيش از بررسی اين نقش نخست خواص يك حسگر مورد بررسی قرار می گيرد.

ويژگی حسگرها

از جمله ويژگی هايی كه برای محيط ها، شرايط اندازه گيری و كاربردهای گوناگون در طراحی حسگرها مورد توجه قرار می گيرد میتوان اين موارد را برشمرد:

•  حساسيت
•  حد تشخيص
•  دامنه ی اندازه گيری
•  صحت
•  زمان پاسخگويی
•  گزينش پذيری
•  زمان بازيافت
•  پايداری و طول عمر
•  اقتصادی و به صرفه بودن
•  كارايی در شرايط دمايی و محيطی دشوار
•  كوچك و قابل حمل بودن
•  سازگار بودن با اجزای الكتريكی مبدل.

با تنظيم زمان های پاسخ گويی و بازيافت حسگر میتوان تكرار اندازه گيری ها، پيوستگی پاسخ ها و برگشت پذيری حسگر را به حد دلخواه و مناسب رساند.

نانو متخلخل ها، فازهای گزينشی شيميايی اين دسته از مواد نانو دارای منفذهايی در ابعاد نانومتری، حدود 1 تا 100 نانومترند و به سه گروه تقسيم می شوند كه عبارتند از:

• ميكروپروس كه منفذهايی كوچك تر از 2nm دارند.
• مزوپروس كه اندازه ی منفذها در آن ها بين 2 تا 50 نانومتر است.
• ماكروپروس كه منفذهايی بزرگ تر از 50nm دارند.

اين مواد از خواص ويژه ای برخوردارند كه هنگام ساخت آن ها، میتوان اين خواص را تا اندازه ای تنظيم كرد. برای نمونه، سطح ويژه ی بسيار زياد مواد ياد شده نسبت به مواد غيرمتخلخل باعث افزايش قدرت جذب سطحی در آن ها می شود.

جهت ساخت حسگرها بيش تر از مواد مزوپروس بهره می گيرند. در اين دسته از نانومتخلخل ها تنظيم متغيرهای مربوط به منفذها، برای تهيه ی حسگرها بهتر از انواع ديگر اين مواد انجام می گيرد. با كنترل متغيرها در هنگام ساخت حسگرها میتوان به ضريب تخلخل، اندازه و شكل منفذ و چگونگی توزيع منفذها به گونه ای مناسب تر دست يافت و به اين ترتيب خواص حسگری، بويژه گزينش پذيری را در برابر گونه های شيميايی بهبود بخشيد.

شكل منفذها (به صورت استوانه، كره و...) و چگونگی توزيع آن ها بر خواص حسگر اثر می گذارد. از سوی ديگر ايجاد گروه های عاملی در مواد نانومتخلخل در هنگام ساخت حسگر يا پس از آن نقش مهمی در گزينش پذيری حسگر خواهد داشت. مواد نانومتخلخل به انواع فلزی، سراميكی، بسپاری و با پايه ی كربنی تقسيم می شوند و هر يك خواصی ويژه ی خود دارند كه از اين ميان، نانومتخلخل های سراميكی به خاطر پايداری در برابر شرايط دشوار، ارزان بودن، تهيه ی آسانتر و خواص مكانيكی مناسب، در ساخت حسگرهای گازی بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند.

هم اكنون حسگرهايی از جنس SiO2 ،SnO2 ، Al2O3،TiO2 ،ZrO3  كاربردهای گوناگونی در صنعت و فناوری های روز دارند.

تغيير خواص هنگام شناسايی نمونه خواص فيزيكی يك ماده ی نانومتخلخل با تغيير مقدار نمونه ی مورد اندازه گيری در دو مرحله تغيير می كند. مرحله ی نخست هنگامی است كه جذب سطحی گازهای مورد اندازه گيری، بر جايگاه های جذب موجود در سطح نانومتخلخل روی می دهد. مرحله ی بعد مرحله ای است كه در نتيجه ی جذب سطحی، تغييراتی در خواص رسانايی الكتريكی، مقاومت ظاهری، ضريب دی الكتريك، ضريب شكست، جذب، نشر و... ايجاد می شود و مقدار اين تغييرات به مقدار گاز جذب شده بستگی دارد. از اين رو، تغيير در اين خواص فيزيكی میتواند برحسب غلظت گاز جذب شده مورد درجه بندی قرار گيرد و برای تعيين غلظت يك نمونه گاز در محيطی معين استفاده شود.

تغيير ضريب دی الكتريك و مقاومت ظاهری هنگامی كه مولكول های قطبی در سطح نانو متخلخل ها جذب می شوند يا در آن ها نفوذ می كنند نه تنها رسانايی الكتريكی ماده ی جاذب را تغيير می دهند بلكه هنگام اعِمال ميدان الكتريكی، در پی جهتگيری های خاص خود سبب تغيير ضريب دی الكتريك ماده ی جاذب می شوند. اين اثرها منجر به تغيير ظرفيت خازنی می شود كه در ميان صفحه های خود ماده ی نانومتخلخل ها را به عنوان عايق دربردارد.

هنگام عبور جريان متناوب، اين تغيير ظرفيت خازن به صورت مقاومتی خود را نشان می دهد كه روی مقاومت ظاهری اندازه گيری شده اثر می گذارد چنان كه، مشاهده شده است تغيير مقاومت ظاهری، با مقدار مولكول های گاز كه در سطح جاذب جذب شده است ارتباط دارد. برای نمونه، در سطح نانومتخلخل Al2O3، جایگاه هایی وجود دارد كه مولكول های آمونياك را جذب می كنند. چنانكه در نمودار مشاهده می شود، تغيير مقاومت ظاهری اندازه گيری شده، به غلظت آمونياك موجود در محيط وابستگی ويژه ای دارد.

تغيير ضريب شكست

گاه در محيط های شفاف كه نور را از خود عبور می دهند، برای نمونه SiO2 ، در نتیجه جذب مولكول های قطبی همچون آب و تغيير ضريب دی الكتريكی محيط، ضريب شكست نور نيز دچار تغيير می شود. در اين حال، به كمك شكل زیر میتوان تفاوت در ضريب شكست را اندازه گرفت و رابطه ای ميان تغيير ضريب شكست و مقدار مولكول های جذب شده به دست آورد.

تغيير رسانايی الكتريكی

مولكول های گازها میتوانند توسط جايگاه های روی مواد نيم رسانا مانندSnO2  وTiO2  شوند. ساختار الكترونی اين نيم رساناها به گونه ای است كه پس از جذب مولكول ها، رسانايی الكتريكی را افزايش می دهند. اين، نتيجه ی برهمكنش ميان مولكول ها و سطح جاذب است كه با تشكيل كمپلكس بين مولكول های نمونه ی مورد اندازه گيری و جايگاه های جاذب همراه است و از اكسايش يا كاهش اتمها در سطح جاذب نتيجه می شود. با تشكيل اين كمپلكس لايه های نازكی از مولكول های گاز در سطح ماده ی نانومتخلخل ايجاد می شود. وجود یون هایی همچون NH4+ و H3o+ در ماده ی نانو و واكنش اين يون ها با نمونه، با كمك به انتقال بار روی سطح میتواند بر رسانايی الكتريكی بيفزايد.

افزون بر امكان حركت نفوذی و سطحی در لايه ی نازك الكتروليتی كه روی سطح ايجاد شده، سازوكارهايی مانند پرش پروتونی ميان مولكول های گاز را نيز بايد در تغيير اين رسانايی مؤثر دانست كه از آن به سازوكار گروتوس ياد می شود. گاه در توجيه تغييرات با پديده ی تونل زنی نيز روبه رو می شويم. به هرحال، اين كاهش در مقاومت الكتريكی در برابر جريان مستقيم، تابعی از تعداد مولكول های گاز جذب شده بر سطح نانومتخلخل است.نمودار زیر تغييرات مقاومت در اثر رطوبت جذب شده را نشان می دهد.

عوامل مؤثر بر خواص حسگر

متغيرهای گوناگونی در جريان ساخت نانومتخلخل های سراميكی بر چگونگی توزيع منفذها، شكل و اندازه ی آن ها و اندازه ی مواد نانومتخلخل اثر می گذارند. تنظيم مناسب اين عوامل، افزايش سطح ويژه و در نتيجه افزايش در مقدار جذب و حساسيت حسگر را در پی خواهد داشت. برخی از اين متغيرها عبارتند از: مواد اوليه، قالب ها، pH محلول سازنده، حلال استفاده شده ...

افزايش گزينش پذيری

 با استفاده از چند سازه های گوناگون مانندZnO2 ، ،ZrO2 ،TiO2 ،SnO2 با نسبت های متفاوت، تا اندازه ای میتوان نانومتخلخل ها را در برابر گونه های گازی ويژه، بيشتر حساس كرد.

 چنانچه حسگر در محيط هايی ويژه به عنوان ماده ی زمينه استفاده شود، به گونه ای كه در اين محيط ها مولكولی نباشد كه در جذب گاز مورد اندازه گيری روی نانومتخلخل مزاحمتی ايجاد كند میتوان بر كارايی و حساسيت حسگر افزود.

 به كمك ثابت های تعادل ترموديناميكی و سينتيك جذب سطحی و اختلاف آن ها در جذب گازهای گوناگون روی سطح نانو متخلخل میتوان به ارزيابی مقدار جذب يك گاز مشخص در حضور گازهای ديگر پرداخت و از خواص ترموديناميكی و سينتيكی جهت طراحی و اعِمال شرايطی همچون تنظيم دما و فشار، برای اندازه گيری گاز در حضور گازهای ديگر استفاده كرد.

 با طراحی و توزيع اندازه و شكل منفذها و ضريب تخلخل مناسب برای گازهای گوناگون میتوان تغييراتی در گزينش پذيری، حد تشخيص و چگونگی پاسخ دهی نانومتخلخل ايجاد كرد.

 عامل دار كردن سطح نانومتخلخل ها يا ايجاد عوامل رنگ ساز تغييراتی در گزينش پذيری و حساسيت حسگر ايجاد می كند.

نتيجه گيری

استفاده از حسگرهای شيميايی جهت اندازه گيری گازها در صنايع گسترش چشم گير داشته است كه اين، از خواص ويژه ی مواد نانومتخلخل كه در ساخت اين حسگرها مورد استفاده قرار می گيرند، ناشی می شود. برخی از برتری های نسبت داده شده به حسگرهای گازی نانومتخلخل سراميكی به اين قرارند:

•  ارزان بودن
•  عملكرد ساده در دستگاه های آشكارساز
•  روش تهيه ی آسان
•  پايداری در شرايط دشوار محيطی.

منبع:رشد