حسگرهاي مبتني بر فناوري نانو؛ قابليتها، واقعيتها، و کاربردها
حسگرهاي مبتني بر فناوري نانو؛ قابليتها، واقعيتها، و کاربردها
خلاصه :
نانوحسگرها و حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو کاربردهاي مختلفي در صنايع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهيلات رفاهي، پزشکي، سلامتي، و دفاعي دارند. از ميان اين حسگرها ميتوان به حسگرهاي نانوسيمي که مواد شيميايي و زيستي را تشخيص ميدهند، نانوحسگرهايي که در سلولهاي خوني قرار داده شده و بسيار سريع آسيبهاي ناشي از تشعشع را در فضانوردان تشخيص ميدهند و نانوپوستههايي که تومورها را تشخيص داده و از بين ميبرند، اشاره کرد.
چکيده نانوحسگرها و حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو کاربردهاي مختلفي در صنايع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهيلات رفاهي، پزشکي، سلامتي، و دفاعي دارند. از ميان اين حسگرها ميتوان به حسگرهاي نانوسيمي که مواد شيميايي و زيستي را تشخيص ميدهند، نانوحسگرهايي که در سلولهاي خوني قرار داده شده و بسيار سريع آسيبهاي ناشي از تشعشع را در فضانوردان تشخيص ميدهند و نانوپوستههايي که تومورها را تشخيص داده و از بين ميبرند، اشاره کرد. اگر شما از حسگرها استفاده کرده يا آنها را توليد ميکنيد، احتمالاً کسب و کار شما اثر پيشرفتهاي فعلي و آينده فناوري نانو را احساس خواهد کرد. فناوري نانو ما را قادر ميسازد تا از طريق کنترل مواد در مقياس اتمي و مولکولي، مواد، ابزارها، و سيستمهاي مفيدي را توليد نموده، از ويژگيها و پديدههاي جديدي بهرهمند شويم. با توجه به وابستگي بيشتر حسگرهاي شيميايي، زيستي و فيزيکي، به برهمکنشي که در اين سطح اتفاق ميافتد، تأثير فناوري نانو بر حسگرها روشن است. تمايل به مقياسهاي کوچکتر با کوچکسازي روشهاي ماکرو آغاز، و منجر به فناوري ميکرو گرديد که در حال حاضر کاملاً متداول شده است. فناوريهاي ميکروالکترونيکي، نوري، و مکانيکي، همگي از مزاياي حسگرهاي کوچکتر، هوشمندتر و ارزانتري که نتيجه کار بر روي IC ا، فيبرهاي نوري، ابزارهاي نوري ميکروي ديگر وMEMS (سيستمهاي ميکروالکترومکانيکي) بودند، بهرهمند شدند. با پيشرفت کار به وسيله اين واحدهاي ساختماني بسيار کوچک، ميان فناوري نانو، فناوري زيستي و فناوري اطلاعات همگرايي به وجود آمده و از پيشرفتهاي هم بهرهمند ميشوند. اندازه کوچکتر منجر به وزن کمتر، مصرف انرژي پايينتر،حساسيت بيشتر و اختصاصي شدن ميگردد و اينها تنها برخي از تأثيرات فناوري نانو بر حسگرها هستند. نانوحسگرها و حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو کاربردهاي مختلفي در صنايع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهيلات رفاهي، پزشکي، سلامتي، و ايمني ملي (که شامل دفاع ملي و عمليات نظامي است) دارند. از ميان اين حسگرها ميتوان به حسگرهاي نانوسيمي که مواد شيميايي و زيستي را تشخيص ميدهند، نانوحسگرهايي که در سلولهاي خوني قرار داده شده و بسيار سريع آسيبهاي ناشي از تشعشع را در فضانوردان تشخيص ميدهند و نانوپوستههايي که تومورها را تشخيص داده و از بين ميبرند، اشاره کرد. بسياري از شرکتهاي نوپا قبلاً در اين زمينه شروع به فعاليت نموده و سعي دارند در اين عرصه پيشتاز باشند. سرمايهگذاري در زمينه فناوري نانو بين سالهاي 1997 تا 2003 به ميزان 5 برابر افزايش يافت و اين روند رو به رشد همچنان ادامه دارد. بنابراين اكنون زمان مناسبي است تا قابليتها و محدوديتهاي اين دنياي کوچک را ارزيابي نماييم. قابليتها علاقهمندي جهاني به فناوري نانو نتيجه پيشرفتهاي ايجاد شده در اواخر قرن بيستم است. از مهمترين اين پيشرفتها ميتوان به توانايي دستکاري اتمهاي منفرد به شکلي کنترل شده (نوعي ساختمانسازي با اتمها) توسط روشهايي مانند ميکروسکوپ روبشي پيمايشگر اشاره کرد. مانند موفقيت اوليه در توليد مقادير قابل توجهي از نانوذرات نقره و طلا و کشف خواص مفيد و جديد مواد و ابزارها در مقياس اتمي و مولکولي (که بخشي از اين امر به دليل اثرات سطحي و کوانتومي است) به اين امر کمک کرد. عامل ديگر، توليد نانولولههاي کربني (CNTs) بود که استوانههايي بسيار نازک و توخالي از اتمهاي کربن ميباشند. هر دو نوع نانولولههاي تک ديواره و چند ديواره ميتوانند در انتهاي خود عاملدار شده و به عنوان حسگر زيستي براي تشخيص DNA يا پروتئين به کار ميروند. نانولولههاي تکديواره ميتوانند ساختارهاي هندسي مختلفي داشته باشند . يک نانولوله کربني بسته به جهتگيري دقيق اتمهاي کربن ميتواند هادي (فلزي) يا نيمههادي باشد. اين ويژگي همراه با قابليت رشد دادن نانولولهها در موقعيتهاي مشخص و سپس دستکاري آنها اين احتمال را ايجاد ميكنند که بتوان از اين نانولولهها در ابزارهاي الکترونيکي و حسگرها استفاده کرد. به عنوان مثال ميتوان از آنها به شکل منفرد يا آرايهاي در ساخت ترانزيستورهاي اثر ميدان نانومقياس براي الکترونيک، يا به عنوان روبشگرهاي منطقي براي حسگرها استفاده کرد. فناوريهاي يکپارچه روبهرشد: فناوريهاي مرتبط با مواد، ابزارها و سيستمها كه زماني نسبتاً جدا از هم بودند، در حال حاضر به صورت يکپارچه درآمدهاند. ابتدا ترانزيستورها به شکل IC درآمدند. سپس ابزارهاي ميکرونوري با ميکرومکانيک باهم مجتمع شده و PCBها را به وجود آوردند. استفاده از تراشههايflip (زماني که تراشه يک بسته است)، و قرار دادن اجزاي تابع درون PCBها باعث شده است که مرزهاي مابين ابزارها و سيستمها در حال کمرنگ شدن باشد. سطح بالاي يکپارچگي ايجاد شده توسط فناوري نانو موجب تبديل اساسي مواد بسيار هوشمند، ابزار و احتمالاً سيستمها شده است. لاري باك مدير اجرايي شركت نانوسيس ( Nanosys) اخيراً اظهار کرده است که فناوري نانو پيچيدگيها را از سيستمها بيرون آورده و به درون مواد منتقل کرده است. حال ما ميتوانيم به طور جدي در مورد حس کردن برهمکنش مابين تعداد کمي از مولکولها، پردازش و انتقال دادهها توسط تعداد کمي از الکترونها و ذخيرهسازي اطلاعات در ساختارهاي نانومقياس بيانديشيم. فلورسانس و ديگر ابزارهاي تشخيص مولکولهاي منفرد توسعه يافتهاند. IBM و شرکتهاي ديگر بر روي نوعي سيستمهاي ذخيرهسازي اطلاعاتاي کار ميکنند که از روبشگرهاي نزديک به مبدأ براي ايجاد و خواندن برجستگيهاي نانومقياس روي پليمرها استفاده كند. اين سيستمها ميتوانند اطلاعات را با دانسيته حدود 1012×1 بيت بر اينچ مربع نوشته و بخوانند؛ اين دانسيته از حافظههاي مغناطيسي موجود بسيار بيشتر است. با وجودي که يکپارچهسازي فناوريهاي نانومقياس چالشهاي اساسي به وجود ميآورد، اما ميتواند منجر به توليد حسگرهاي کوچک، کم مصرف و هوشمندي شود که با قيمت ارزان و به تعداد زياد قابل توليد هستند. اين حسگرها ميتوانند در زمينه حسگري مواد ساختاري به شکل درجا (in situ)، فراواني حسگرها در سيستمها وساختارهايي همچون ماهوارهها و ايستگاههاي فضايي که با محدوديت اندازه و وزن مواجه هستند، كاربرد داشته باشد. نانومواد و نانوساختارها زمينههاي کاربردي ديگر ميباشند. براي بسياري از حسگرها، مخصوصاً آنهايي که براي شناسايي ترکيبات شيميايي و مواد زيستي استفاده ميشوند، دو عملکرد جدا از هم وجود دارد: اول، شناسايي مولکول يا هر چيز مورد نظر ديگر؛ و دوم،تبديل اين شناسايي به سيگنال مفيد. فناوري نانو ما را قادر ميسازد حسگرهايي طراحي نماييم که بسيار کوچکتر، کم مصرفتر و حساستر از ميکرو يا ماکرو حسگرهاي موجود ميباشند. بنابراين بهکارگيري اين نوع از حسگرها بسيار مفيدتر از MEMS يا ميکروحسگرهاي ديگر خواهد بود. پيشرفتهاي توليد: پيشرفتهاي اخير در زمينه فرايندهاي توليد بالا به پايين موجب تسريع رشد فناوريهاي ميکرو و نانو شده است. سازندگان ICهاي پيشرفته، از ليتوگرافي، حکاکي و لايهنشاني براي ايجاد ساختارهاي دلخواه بر روي مادهاي همچون سيليکون استفاده ميکنند. ميکروالکترونيکهاي معمولي در حال رسيدن به مقياس نانو هستند. عرض خطوط بر روي تراشهها كه نزديک 100 نانومتر بوده، در حال کم شدن است. ابزارهاي MEMS با فرايندهاي بالا به پايين مشابهي ساخته ميشوند. با کوچک شدن ابعاد، اين فرآيندها ميتوانند براي توليد اجزاي نانومقياس مختلفي به کار روند. در عرصه نانو، از روشهاي پايين به بالاي مختلفي براي ايجاد ساختارهاي مفيد از اتمها و مولکولها استفاده ميشود. در شرايط مناسب، اتمها، مولکولها و ساختارهاي بزرگتر ميتوانند خود را آرايش دهند. در غير اين صورت، آرايش مستقيم به کار ميرود. ترکيبي از فرآيندهاي بالا به پايين و پايين به بالاي نانومقياس، ابزارهاي مختلفي را در اختيار طراحان مواد و ابزارها قرار ميدهد. همچنين طراحان ميتوانند براي توسعه سيستمهاي حسگري جديد، فناوريهاي نانو و ميکرو را با هم ادغام نمايند. طراحي محاسباتي: ابزارهاي جديدي همانند سينکروترون اشعه ايکس و رزونانس مغناطيسي هسته، که اخيراً توسعه يافتهاند، ساختارهاي اتمي بسياري از ترکيبات پيچيده را روشن نمودهاند. اما اين دانش کافي نيست؛ ما نياز داريم كه برهمکنشهاي بين اتمها و مولکولها ، و برخي مواقع مراحل تبديل به سيگنال در حسگرها را درک کنيم. وجود رايانهها و الگوريتمهاي قدرتمند براي شبيهسازي برهمکنشهاي نانومقياس به اين معني است که ميتوانيم نانوحسگرها را نه فقط به صورت تجربي، بلکه به صورت محاسباتي طراحي نماييم. اين کار با استفاده از کدهاي ديناميک مولکولي و محاسباتي که به ابزارهاي اساسي تبديل شدهاند، صورت ميگيرد. واقعيتها با وجودي که فناوري نانو و کاربردهاي احتمالي آن در آينده به خوبي شناخته شدهاند، توسعه و يکپارچهسازي نانوحسگرها بايد جزء واقعيتهايي به حساب آيد که فيزيک، شيمي، زيستشناسي، مهندسي، و تجارت به ايجاد آن کمک کردهاند. به عنوان مثال، با هماهنگ شدن فناوريهاي نانو با سيستمهاي ماکرومقياس، بايد جريان ماده، انرژي و اطلاعات بين مقياسهاي نانو و ماکرو ايجاد و کنترل شود. مشکلات معمول طراحي: بسياري از مسائلي که در طراحي نانوحسگرها بايد مورد توجه قرار گيرند (مانند مسائل مربوط به سطوح تماس، پخش گرما و حل مشکلات مربوط به پارازيتهاي الکتريکي و مکانيکي)، مشابه مسائل ميکروحسگرها ميباشند. هر سطح تماسي در يک ميکروسيستم به مفهوم انتقال ناخواسته الکتريکي، مکانيکي، دمايي و احتمالاً شيميايي، صوتي و نوري است. براي حل مشکلات مربوط به مولکولها و سيگنالهاي ناخواسته در سيستمهاي بسيار کوچک، همچنين براي کاهش پارازيت دماي پايين نياز به تجهيزات فرعي ميباشد. در حسگرهاي شيميايي و زيستي که گاز يا مايع وارد سيستم و سپس از آن خارج ميشود، کنترل ميزان جريان، بسيار حياتي است. به علاوه، سطوح حساس و مناسب اين حسگرها مستعد تجزيه توسط مواد خارجي، گرما و سرما ميباشند. اما امکان نصب تعداد بسيار زيادي از اين حسگرها در يک فضاي کوچک موجب ميشود که بتوانيم از عمکرد نامناسب برخي از اين حسگرها صرفنظر کرده و سيستم را داراي عمر طولاني بدانيم. خطرات و مسائل اقتصادي: طي مسير از تحقيقات به مهندسي، توليد محصول، درآمد، سود و عملکرد اقتصادي پايا، که براي فناوريها در هر مقياسي مشکل است، براي فناوري نانو به شکل ويژهاي چالشزاست. يکي از عوامل اصلي اين کار، نداشتن تمايل سيستمهاي پر ارزش به استفاده از فناوريهاي جديد است. مشکل ديگر اين است که در حال حاضر توليد بسياري از مواد نانومقياس در سطح انبوه مشکل بوده، در نتيجه قيمت واحد هر محصول افزايش يافته و بازار آن محدود ميشود. هزينهها در طول زمان کاهش خواهد يافت، اما براي شرکتهاي کوچک بسيار سخت است که تا قبل از برخوردن به مشکل، به سود برسند. کاربردها حسگرهايي که صرفاً مبتني بر علم نانو باشند بسيار كم ميباشند و توسعه حسگرهايي که با نانو توانمند ميشوند، در مراحل اوليه خود ميباشد؛ اما ميتوان برخي ابزارها و کاربردها را از قبل پيشبيني کرد. در برخي تلاشهاي اوليه، تمرکز بر روي توسعه حسگرهاي مربوط به خصوصيات فيزيکي بوده است، اما کاربرد اصلي فناوري نانو، در حسگرهاي شيميايي و زيستي و براي مسائل مربوط به سلامتي، پزشکي و اهداف ديگر است. اخيراً Vo-Dinh، Cullum، و Stokes مطالعهاي در زمينه نانوحسگرها و تراشههاي زيستي براي تشخيص مولکولهاي زيستي انجام دادهاند. حسگرهاي فيزيکي: گروهي از محققان مؤسسه فناوري جورجيا به رهبري Walter De Heer با استفاده از ويژگيهاي منحصر به فرد الکتريکي و مکانيکي نانولولهها، موفق به ساخت کوچکترين ترازوي دنيا شدهاند (شکل 1). آنها يک ذره کوچک را به انتهاي يک نانولوله کربني سوار و به سر ديگر آن، يک بار الکتريکي اعمال نمودند. نانولوله کربني شبيه يک فنر قوي و انعطافپذير عمل نموده و بدون شکستن شروع به نوسان کرد. جرم ذره از تغييرات ايجاد شده در فرکانس ارتعاشي نانولوله، همراه و بدون ذره، محاسبه گرديد. ممکن است بتوان از اين روش براي اندازهگيري جرم تکمولکولهاي زيستي استفاده کرد.
اين ابزار (شکل 2) نسبت به بار کمتر از يک الکترون در واحد پهناي باند (حدود 0.1 الکترون بر هرتز در 2.61 مگاهرتز) حساس ميباشد که بهتر از مقدار مشابه آن براي جديدترين ابزارهاي نيمههادي است.
حسگرهاي شيميايي: در چند سال گذشته چندين حسگر گاز مبتني بر نانولولهها
گزارش شدهاند. Modi و همکارانش يک حسگر گاز يونيزه مبتني بر نانولوله
کربني را توسعه دادهاند. از اين حسگر ميتوان در کروماتوگرافي گازي بهره
برد. حسگرهاي هيدروژن مبتني بر نانولوله تيتانيوم در شبکهاي از حسگرهاي
بيسيم مورد استفاده قرار گرفته است تا غلظت هيدروژن را در جو اندازه
بگيرند. كنگ و همکارانش يك حسگر شيميايي براي مولکولهاي گازي مانندNO2 و
NH3 را توسعه دادهاند که مبتني بر سيمهاي مولکولي نانولولهاي است.
انتظار ميرود حسگرهاي فناوري نانو در زمينههاي ديگري همچون حمل و نقل (زميني، دريايي، هوايي، و فضايي)، ارتباطات (باسيم و بيسيم، نوري و RF)، ساخت و ساز و تسهيلات رفاهي (منازل، دفاتر، و کارخانجات)، زمينههاي مربوط به سلامتي (سلامتي و تصويربرداري پزشکي) و انواع رباتها کاربرد داشته باشند. همچنين شاهد خواهيم بود که حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو به طور فزايندهاي در محصولات تجاري و نظامي وارد خواهند شد. کارخانههاي جديد زيادي مواد نانو و تعدادي کارخانه نيز بر مبناي اين مواد حسگرها را توليد خواهند نمود.
|
||||||||||
|
جمع بندي قطعاً فناوري نانو باعث توسعه حسگرهاي موجود شده و در توسعه حسگرهاي جديد نيز مؤثر خواهد بود. اين زمينه در حال پيشرفت است، ولي براي اينکه شاهد تأثير آن باشيم، بايد کار زيادي انجام پذيرد. از ميان چالشهاي موجود در اين زمينه ميتوان به کاهش قيمت مواد و ابزارها، توسعه اطمينانپذيري و استفاده از اين ابزارها در محصولات مفيد اشاره کرد. با تمام اين توضيحات ميتوانيم ورود مواد و ابزارهاي نانومقياس به سيستمهاي واقعي را ببينيم و آينده اين فناوري مقياس کوچک را بسيار روشن بدانيم. |
+ نوشته شده در جمعه دوم بهمن 1388ساعت 3:12 توسط mj sharifi
|
