محققان MIT یک سیستم جدید برای تشخیص گازهای سمی را توسعه داده‌اند، که با ترکیب فریم‌های آلی-فلزی (MOF) و یک پلیمر مقاوم، امکان نظارت مداوم و حساس بر گازهایی مانند: دی‌اکسید نیتروژن را فراهم می‌کند.
به گزارش تک‌ناک، این سنسور جدید می‌تواند به طور پیوسته و با هزینۀ کم، حضور گازهای سمی را تشخیص دهد. این فناوری نوین می‌تواند در محیط‌های صنعتی یا خانگی برای ارزیابی کیفیت هوا مورد استفاده قرار گیرد.
پیشرفت در فناوری تشخیص گاز در MIT ترکیبی از حساسیت بالا و نظارت مستمر است. این ماده می‌تواند به عنوان یک پوشش نازک برای تجزیه و تحلیل کیفیت هوا در محیط‌های صنعتی یا خانگی ساخته شود.
اکثر سیستم‌هایی که برای تشخیص گازهای سمی در محیط‌های صنعتی یا خانگی طراحی شده‌اند، به استفاده‌های منفرد یا حداقلی فقط محدود می‌شوند. با وجود این، اخیراً محققان MIT سنسوری ایجاد کرده‌اند که قادر به نظارت مستمر و کم هزینه بر این گازها است.
این سیستم جدید، دو فناوری موجود را ترکیب می‌کند و آنها را به گونه‌ای گرد هم‌می‌آورد تا مزایای هر یک را حفظ و از محدودیت‌های آنها اجتناب کند. محققان از ماده‌ای به نام چارچوب فلزی-آلی یا MOF استفاده کردند که به رگه‌های کوچک گاز بسیار حساس است، امّا عملکرد آن به سرعت کاهش می‌یابد. همچنین آن را با یک ماده پلیمری ترکیب کردند که بسیار بادوام و با پردازش آسان‌تر است، امّا حساسیت بسیار کمتری دارد.
نتایج این مطالعه در مجلۀ Advanced Materials منتشر شده است.
ترکیب مواد نوآورانه
MOFها بسیار متخلخل و وسیع هستند و در ترکیبات مختلفی وجود دارند. برخی از آنها می‌توانند عایق باشند، امّا آنهایی که برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرند رسانایی الکتریکی بالایی دارند. آنها با شکل اسفنج مانند خود در جذب مولکول‌های گازهای مختلف مؤثر هستند و اندازۀ منافذ آنها را می‌توان به گونه‌ای تنظیم کرد که برای تشخیص انواع خاصی از گازها انتخاب شوند.
گومیوسنج، نویسندۀ ارشد این مقاله می‌گوید: اگر از آنها به عنوان حسگر استفاده شود و بر روی مقاومت MOF تأثیر بگذارد، می‌توان تشخیص داد که گازی در آن وجود دارد یا خالی از هر نوع گازی است.
یکی از ایرادات و مشکلات استفاده از این مواد به عنوان سنسور گازها، اشباع راحت آنها است که دیگر نمی‌توانند ورودی‌های جدید را شناسایی و کمیت کنند و این خوب نیست. بنابراین محققان تصمیم گرفتند از یک کامپوزیت پلیمری برای دستیابی به این برگشت‌پذیری استفاده کنند.
محققان در همین راستا از دسته‌ای پلیمرهای رسانا استفاده کردند که گومیوسنج و همکارانش قبلاً نشان داده بودند می‌توانند پاسخ‌دهی خوبی به گازها بدون اتصال دائمی داشته باشند. گومیوسنج در این باره بیان می‌کند: پلیمر با وجود اینکه دارای سطح بالایی که MOFها دارند، نیست، حداقل این نوع پدیده را به‌وجود می‌آورد.
(زیرنویس سوم: محققان توانایی این ماده را در تشخیص اکسید نیتروژن یعنی گاز سمی تولید شده توسط انواع احتراق، در یک دستگاه کوچک در مقیاس آزمایشگاهی نشان دادند. پس از 100 چرخۀ شناسایی، این ماده همچنان عملکرد پایۀ خود را در حدود 5 تا 10 درصد حفظ می‌کرد که پتانسیل استفادۀ طولانی مدت آن را نشان می‌داد)
قابلیت‌های سنجش پیشرفته
محققان پلیمرها را در یک محلول مایع، همراه با مواد MOF به شکل پودر ترکیب کردند و مخلوط را بر روی یک بستر قرار دادند و به صورت یک پوشش نازک و یکنواخت خشک شدند. گومیوسنج می‌گوید: با ترکیب پلیمر با قابلیت تشخیص سریع و MOFهای حساس‌تر در نسبت یک به یک، ناگهان سنسوری به دست می‌آید که هم حساسیت بالایی از MOF دریافت می‌کند و هم برگشت‌پذیری دارد و با حضور پلیمر فعال می‌شود.
هنگامی که مولکول‌های گاز به‌طور موقت در ماده محبوس می‌شوند، این ماده مقاومت الکتریکی خود را تغییر می‌دهد. این تغییرات در مقاومت را می‌توان به‌طور مداوم با اتصال یک اهم متر برای ردیابی مقاومت در طول زمان، نظارت کرد.
گومیوسنج و شاگردانش توانایی این مادۀ کامپوزیت را در تشخیص دی اکسید نیتروژن، یعنی گاز سمی تولید شده توسط بسیاری از انواع احتراق، در یک دستگاه کوچک در مقیاس آزمایشگاهی نشان دادند. پس از 100 چرخۀ شناسایی، این ماده همچنان عملکرد پایۀ خود را در حدود 5 تا 10 درصد حفظ می‌کرد که پتانسیل استفادۀ طولانی مدت آن را نشان می‌داد.
علاوه بر موارد گفته شده، این ماده حساسیت بسیار بیشتری نسبت به سنسورهای کنونی مورد استفاده برای دی‌اکسید نیتروژن دارد. این گاز اغلب پس از استفاده از اجاق گاز تشخیص داده می‌شود. با توجه به اینکه این گاز اخیراً با بسیاری از موارد آسم در ایالات متحده ارتباط داشته است، تشخیص قابل اعتماد در غلظت‌های پایین بسیار مهم است. محققان نشان دادند که این کامپوزیت جدید می‌تواند به‌طور برگشت‌پذیر، گاز را در غلظت‌های پایین 2 قسمت در میلیون شناسایی کند.
برنامه‌های کاربردی و مسیرهای آینده
علاوه بر سازگاری با یک سنسور ساۀ دستی یا یک نوع دستگاه هشداردهندۀ دود، یکی از مزیت‌های این ماده این است که پلیمر به آن اجازه می‌دهد تا به عنوان یک لایۀ یکنواخت بسیار نازک، بر خلاف MOFهای معمولی که بیشتر فرم پودر دارند و بدون کارایی هستند، قرار گیرد. از آنجایی که فیلم‌ها بسیار نازک هستند، مواد مورد نیاز کمی وجود دارد و امکان دارد هزینه‌های مواد تولید پایین باشد، روش‌های پردازش می‌تواند نمونه‌ای از روش‌هایی باشد که برای فرآیندهای پوشش صنعتی استفاده می‌شود. گومیوسنج تصریح می‌کند: بنابراین شاید عامل محدودکننده، افزایش سنتز پلیمرهایی باشد که ما در مقادیر کم آن را سنتز کرده‌ایم.
او می‌گوید: گام بعدی، ارزیابی این موارد در محیط‌های واقعی خواهد بود. به عنوان مثال: این ماده می‌تواند به عنوان پوششی بر روی دودکش‌ها یا لوله‌های اگزوز اعمال شود تا به‌طور مداوم گازها را با استفاده از خوانش‌های دستگاه نظارت بر مقاومت متصل شده، کنترل کند. در چنین تنظیماتی، ما به آزمایش‌هایی نیاز داریم تا بررسی کنیم که آیا واقعاً می‌توان آن را از سایر آلاینده‌های که امکان دارد در محیط آزمایشگاه نادیده گرفته باشیم، متمایز کنیم یا خیر.
