نانوحسگرها

محسن معصومی: فناوری نانو شامل تمامی مسائل مرتبط با ساخت، دستکاری و شناسایی ترکیبات با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر است.

این فناوری که به‌عنوان یک فناوری پیشرو در بسیاری از حوزه‌های کاربردی شناخته می‌شود، با ایجاد بستر سخت‌افزاری در کوچک‌ترین مقیاس ممکن برای تمامی مسائل مهندسی، سه فناوری دیگر را توانمند می‌کند؛ برای مثال، فناوری نانو با توسعه تکنیک‌های جدید تصویربرداری و حسگرهای گوناگون، فناوری زیستی را توانمند کرده و با تکنیک‌های کوچک‌سازی، به فناوری اطلاعات کمک می‌کند؛ همان‌طور که امروز نانوتراشه‌ها و نانوحسگرها پیشرفت‌های شگرفی را در جهان بیوانفورماتیک ایجاد کرده‌اند.

نقطه همگرایی
ما انسان‌ها به‌وسیله حواس خود می‌توانیم اطلاعات را از جهان به‌دست آورده، میان افراد مبادله کنیم و بدین ترتیب جنبه‌های مهم اطلاعات را در مغز خود(شبکه‌های عصبی، ذهن) کدگذاری کرده و به‌خاطر بسپاریم. دانشمندان امیدوار هستند با انجام پژوهش‌های بیشتر بتوان رابطه‌ای میان دستگاه‌ها و سیستم عصبی انسان ایجاد کرد و بدین ترتیب حسگرهای جدیدی پیدا کرد که بتوانند داده‌های ارزشمندی درباره محیط‌های اجتماعی و فیزیکی به انسان ارائه کنند. نانوحسگرها ابزارهای مصنوعی هستند که بر مبنای علوم میکروالکترونیک، فناوری نانو و فناوری زیستی تهیه می‌شوند. این ابزارها حواس کاملا جدیدی به انسان می‌دهند یا حواس موجود را با روش‌های جدید به‌کار می‌گیرند و در برخی موارد از رابط‌های عصبی برای ارسال مستقیم اطلاعات پیچیده به ذهن انسان استفاده می‌کنند. همه این مسائل موجب افزایش میزان هوشمندی انسان یا حسگرها و نانوحسگرها خواهد شد؛ بنابراین نانوحسگرها یک نقطه تقاطع بسیار مهم از فناوری‌های همگرا و یکی از اساسی‌ترین مفاهیم در پیشبرد هرچه بیشتر همگرایی انبیک به‌شمار می‌آیند. البته همگرایی انبیک ویژگی‌های منحصربه فردی را نیز در نانوحسگرها ایجاد می‌کند، از جمله قابلیت یکپارچه‌سازی با سامانه‌های هوشمندی همچون گوشی‌های تلفن همراه یا قابلیت اتصال به شبکه اینترنت یا شبکه‌های داخلی، که در راستای هوشمندسازی هرچه بیشتر آنها انجام می‌شود.

آلودگی هوا
هوا یا اتمسفر یک جزء مهم و جدانشدنی از محیط‌زیست ما را تشکیل می‌دهد که تاثیر انکارناپذیری بر فرآیند حیات در کره زمین دارد. متاسفانه فعالیت‌های انسانی موجب آلودگی این بخش مهم از محیط‌زیست شده و روی سلامت موجودات زنده اثرات جبران‌ناپذیری وارد کرده است. به‌طور کلی، ورود هر ذره، مولکول بیولوژیکی یا ترکیب مضر(جامد، مایع یا گاز) به اتمسفر هوا که منجربه ایجاد خطر برای سلامتی موجودات زنده شود، با عنوان آلودگی شناخته می‌شود. منابع انتشار آلاینده‌های هوا به دو گروه ثابت و متحرک تقسیم می‌شوند. گروه ثابت همان‌طور که از نام آنها پیداست شامل صنایع، نیروگاه‌ها و مراکز تجاری و مسکونی می‌شود، درحالی‌که منابع متحرک انواع وسایل نقلیه از موتورسیکلت تا هواپیما و کشتی را در بر می‌گیرد. آلودگی هوای ناشی از فعالیت‌های صنعتی هم به‌دلیل مصرف سوخت است و هم نوع فرآیند بستگی دارد. درحالی‌که در منابع متحرک منشا آلودگی به‌طور عمده گازها یا ذرات ناشی از احتراق سوخت است. در صنایع، علاوه‌بر آلاینده‌های ناشی از سوخت و مواد خام، برخی وقت‌ها تولیدات میانی و محصول نهایی هم وارد هوا می‌شود. گازهای مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن، اکسیدهای گوگرد و نیتروژن، ترکیبات آلی فرار، برخی فلزات سنگین و... از مهم‌ترین آلاینده‌های هوا به‌شمار می‌آیند.

باران اسیدی
گاز دی‌اکسید گوگرد یکی از مهم‌ترین گازهای آلاینده محیط‌زیست به‌شمار می‌آید که به‌طور عمده در نتیجه سوختن ترکیبات گوناگون به‌ویژه زغال سنگ در اتمسفر آزاد می‌شود.
رها شدن بیش از حد این گاز در اتمسفر موجب بروز نگرانی‌های زیست‌محیطی زیادی شده است که می‌توان مهم‌ترین آنها را باران‌های اسیدی دانست. گذشته از این مسائل، غلظت این گاز در محیط‌های گوناگون به‌ویژه در خون انسان نیز از اهمیت خاصی برخوردار است. در این راستا و همگام با استانداردهای تبیین‌شده برای میزان مجاز این گاز در بخش‌های گوناگون، حسگرهایی نیز برای اندازه‌گیری این گاز توسعه یافته‌اند.
توسعه علوم و فناوری‌های گوناگون همواره همزمان با ظهور پدیده‌های نو است. از جمله این مسائل، همگرایی فناوری‌های انبیک است که به‌طور ویژه نقش بسیار اساسی در توسعه نانوحسگرها دارند. امروز نانوحسگرها در حوزه‌های گوناگون، کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند که یکی از مهم‌ترین آنها تشخیص و اندازه‌گیری گازهای گوناگون همچون دی‌اکسید گوگرد است.
 دی‌اکسید گوگرد یک گاز خفه‌کننده است که به‌طور عمده از مصرف سوخت‌های فسیلی وارد اتمسفر زمین می‌شود و در بسیاری از شهرهای بزرگ عمده‌ترین آلاینده به‌شمار می‌آید. دی‌اکسید گوگرد، گازی است بی‌رنگ که روی سطوح بسیاری از مواد جامد و ذرات هوا واکنش انجام می‌دهد.
همچنین این گاز در آب و قطرات باران نیز حل می‌شود و در نهایت به اسیدسولفوریک تبدیل شده و بدین ترتیب به‌عنوان یکی از عوامل ایجاد باران‌های اسیدی شناخته می‌شود. همچنین تبدیل این گاز به اسید در نتیجه حل شدن در آب، به عنوان یکی از مهم‌ترین عوامل خوردگی اسیدی در صنایع گوناگون نیز شناخته می‌شود. قرار گرفتن در معرض این گاز موجب ایجاد علائمی همچون تنگی نفس، اشکال در تنفس و کاهش عملکرد کمتر ریه، ضایعات ریوی، اختلالات رفتاری، کاهش میزان DNA در خون، ایجاد تغییراتی در کروموزوم‌ها، از بین رفتن لنفوسیت‌ها و در نتیجه کاهش مقاومت بدن در برابر بیماری‌های عفونی خواهد شد. بنابراین اندازه‌گیری و تشخیص حضور این گاز در محیط‌های گوناگون، برای تضمین سلامتی انسان و همچنین جلوگیری از خوردگی در واحدهای صنعتی گوناگون به‌ویژه نیروگاه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است.

تشخیص و اندازه‌گیری
اندازه‌گیری و تشخیص حضور گاز دی‌اکسید گوگرد برای نظارت بر کیفیت هوا و همچنین در بسیاری از فرآیندهای صنعتی امری بسیار مهم است. برای انجام این کار روش‌های گوناگونی وجود دارد؛ از روش‌های تجزیه‌ای کلاسیک گرفته تا روش‌های دستگاهی. در این میان، حسگرها اصلی‌ترین ابزار در اندازه‌گیری این گاز هستند و در این راستا، حسگرهای الکتروشیمیایی متداول‌ترین نوع حسگرها هستند. این حسگرها به‌طور عمده از یک سیستم سه الکترودی بهره می‌برند که به‌طور معمول، الکترود کار آن با یک ترکیب پلیمری حساس به گاز دی‌اکسید گوگرد پوشیده شده است. جذب این گاز به‌وسیله لایه پلیمری مشخصات الکتریکی الکترود را تغییر می‌دهد که این تغییرات به غلظت گاز ربط داده شده و بدین ترتیب مقدار گاز مشخص می‌شود. در کنار این حسگرها، حسگرهای نوری مبتنی بر فلورسانس و سیستم‌های وزن‌سنجی مکانیکی مبتنی بر بلورهای کوارتز نیز در بازار در دسترس هستند. در هر حال کاربرد حسگرهای الکتروشیمیایی به‌دلیل حساسیت بیشترشان بسیار گسترده‌تر از دیگر انواع حسگرهاست.

حسگرهای تجاری
با وجود پیشرفت‌های زیاد حاصل شده در زمینه ساخت و توسعه حسگرها، حسگرهای تشخیص و اندازه‌گیری گاز دی‌اکسید گوگرد همچنان با مشکلاتی نیز درگیر هستند.
مشکلاتی همچون تداخل گازهای دیگر، مقاومت پایین در برابر شرایط محیطی(با توجه به امکان ایجاد اسید در زمان وجود بخار آب)، طول عمر کم، دامنه حساسیت، حد تشخیص، میزان مصرف انرژی و در برخی موارد سرعت تشخیص آلودگی و نشت گاز از جمله مهم‌ترین معضلات مربوط به حسگرهای متداول برای گاز دی‌اکسید گوگرد به‌شمار می‌آیند. امروز رشد و توسعه فناوری‌های همگرا به‌ویژه فناوری نانو و همچنین فناوری اطلاعات در راستای غلبه بر این مشکلات، موجب توسعه نانوحسگرهایی با حساسیت، کارآیی و مصرف انرژی به‌مراتب بهتر از حسگرهای متداول شده است.
 این نانوحسگرها نیز همچون حسگرهای تجاری متداول به‌طور معمول بر پایه روش‌های الکتروشیمیایی یا در برخی موارد در قالب سیستم‌های نانو-الکترومکانیکی طراحی می‌شود. درحال‌حاضر، چندین شرکت در نقاط گوناگون جهان نمونه‌های تجاری از این نانوحسگرها را تولید کرده و به بازار عرضه داشته‌اند.

افزایش دوام حرارتی و سایشی پره‌های توربین با نانوپوشش‌ها
یکی از شرکت‌های دانش‌بنیان پس از تولید پره توربین‌های گازی با اضافه کردن فناوری نانو توانسته عمر مفید این قطعات را در صنایع گوناگون به دو برابر افزایش دهد.
 به‌گزارش ایسنا، سجاد درویشی، قائم‌مقام مدیرعامل این شرکت در تور رسانه‌ای ستاد نانو با بیان اینکه فعالیت این شرکت از دهه ۷۰ آغاز شده، اظهار کرد: مرحله نخست فعالیت ما در حوزه طراحی و تولید برای صنایع خودروسازی بوده که به‌طور مهندسی معکوس انجام می‌شده است.
وی با بیان اینکه از دهه ۸۰ خورشیدی به سمت توسعه صنایع مرتبط با حوزه انرژی حرکت کردیم، خاطرنشان کرد: در این راستا طراحی و تولید پره توربین‌های گازی را در دستور کار قرار دادیم.
 این پره‌ها در صنایع نیروگاهی و همچنین همه صنایعی که دارای ماشین‌های خودرو هستند، مانند صنایع حمل‌ونقل، ریلی و هوایی کاربرد دارند.
درویشی با بیان اینکه تاکنون ۱۵۰ نوع قطعه متفاوت در صنایع مرتبط با انرژی تبدیل به دانش فنی، تولید و نصب شده، ادامه داد: تاکنون هرگونه محصولی که ما هدف قرار دادیم، از جمله تجهیزاتی بوده که وارداتی بوده و تولید محتوا توانسته از خروج ارز جلوگیری کند؛ این قطعات مرتبط با صنایع خودروسازی، نفت، نیروگاهی، راه آهن، صنایع هوایی و صنایعی که نیازمند قطعات فلزات های‌تک می‌شود، هستند.
این محقق با اشاره به روند تولید این محصولات دانش‌بنیان، یادآور شد: در ابتدا پس از تدوین دانش فنی به‌وسیله زنجیره تامین عملیات مرتبط با کار تولید، برون‌سپاری می‌شد؛ اما با راه‌اندازی و تکمیل خطوط تولید، تمام مراحل طراحی، ساخت و تولید پره‌های توربین در این شرکت انجام می‌شود.
درویشی این شرکت را شامل سه بخش ریخته‌گری، ماشین‌کاری و عملیات تکمیلی دانست و ادامه داد: این شرکت مجهز به چهار کوره ذوب ریخته‌گری است که علاوه‌بر ریخته‌گری فلزات مرسوم تولید سوپرآلیاژها و ذوب‌های استیل و کبالت در این شرکت انجام می‌شود.
این فعال حوزه تولید توربین‌های گازی با بیان اینکه کشور سالانه به ۵۰۰ میلیون دلار قطعات یدکی در حوزه توربین‌های گازی نیاز دارد، گفت: در سال گذشته که سال بسیار سختی در حوزه اقتصاد بوده، میزان تولید توربین‌های گازی در کشور ۲۵۰ میلیارد دلار بوده است؛ این توربین‌ها برای تولید برق مورد نیاز است.
درویشی با بیان نیاز کشورهای همسایه به دسترسی به توربین‌های گازی، گفت: در صورتی که بازار کشورهایی چون ترکیه، افغانستان، ترکمنستان، عراق و سوریه برای تولید برق را در نظر بگیریم، کشور قابلیت تولید ۱۰۰ هزار مگاوات برق را دارد، ضمن آنکه امکان صادرات برای ما وجود دارد؛ اما در سال گذشته بنا به‌دلایل گوناگون ۲۵۰ میلیون دلار بازار در این صنعت در کشور ایجاد شد.
وی با بیان اینکه باقی نیازمندی‌های کشور واردات می‌شود، ادامه داد: هدف‌گذاری ما برای فروش ۱۲ میلیون دلاری در سال است که با امکان توسعه فناوری و رباتیک کردن خط تولید می‌توانیم میزان فروش خود را به ۲۴ میلیون دلار افزایش دهیم.
به‌گفته درویشی، میزان فروش این شرکت در سال گذشته ۳ میلیون دلار بوده است.
 وی همچنین از استفاده از فناوری نانو در ساخت توربین‌های گازی خبر داد و گفت: نمونه خارجی این پرده‌ها با استفاده از پوشش تفلونی بوده است، این پوشش‌ها هر چند قدیمی هستند، اما بسیار کاربرد دارند که دوام گرمایی آنها ۱۵۰ سانتی‌گراد است.
درویشی اضافه کرد: با اعمال پوشش نانویی روی توربین‌های گازی دوام حرارتی این پره‌ها به بیش از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد ارتقا یافت، علاوه‌بر آنکه خواصی چون مقاومت سایشی و خرده‌ای در آن ایجاد شده است.
قائم‌مقام مدیرعامل این شرکت بازارهای صادراتی هدف این شرکت را کشورهای عراق، ترکیه، ترکمنستان، جمهوری آذربایجان و پاکستان دانست و یادآور شد: درحال‌حاضر ما توانسته‌ایم مقدمات صادرات به کشور ترکیه با ارزش ۲۵۰ هزار دلار را فراهم کنیم.
 به‌گفته وی، کشور ترکیه قرار است با خرید این پره‌ها این محصول را به کشورهای عراق، سوریه و افغانستان صادر کند.

هوش مصنوعی نانوساختارها را متحول می‌کند
دانشمندان ایرانی «موسسه فناوری جورجیا» در پژوهش خود توانستند روش جدیدی برای تحول عملکرد نانوساختارهای فوتونی ارائه دهند.
به‌گزارش ایسنا، گروهی از دانشمندان ایرانی «موسسه فناوری جورجیا» در بررسی جدیدی، کاربرد هوش مصنوعی را در دستیابی به بینش‌های ارزشمند مربوط به عملکرد نانوساختارهای فوتونی نشان داده‌اند. نانوساختارهای فوتونی، نور را برای کاربردهای گوناگون مانند پردازش سیگنال، ارتباطات و محاسبه به‌کار می‌گیرند.
هنگامی که نور از میان این نانوساختارها عبور می‌کند، اثر جمعی بسیاری از نانوعناصر، به تغییرات بزرگی در ویژگی‌های طیفی، مکانی یا زمانی نور منجر می‌شوند. با انتخاب مناسب ویژگی‌های هندسی این نانوعناصر می‌توان به طیف گسترده‌ای از عملکردهای آنها در سطح سیستم دست یافت.
اگرچه بیشتر گزارش‌ها درباره روش‌های مبتنی بر هوش مصنوعی در حوزه نانوفوتونیک، بر طراحی و تنظیم نانوساختارها تمرکز دارند اما پژوهشگران در این روش جدید سعی کرده‌اند از جنبه‌های هوشمند هوش مصنوعی برای درک فیزیک این نانوساختارها استفاده کنند. یکی از این کاربردها، ارزیابی امکان‌پذیری یک واکنش از نانوساختار موردنظر است.
این روش جدید، در دو مرحله به‌کار گرفته می‌شود؛ در مرحله نخست، ارتباط میان ورودی و خروجی نانوساختار، با کاهش ابعاد آن به‌طور ساده ارائه می‌شود.
فشرده‌سازی اطلاعات حاصل از واکنش این نانوساختار با استفاده از الگوریتمی موسوم به «خودرمزگذار»(autoencoder) موجب می‌شود که این ارتباط به شکل ساده‌تری انجام شود. خودرمزگذار، یک شبکه عصبی مصنوعی است که از آن برای رمزگذاری استفاده می‌شود؛ بدین ترتیب فشرده‌سازی داده‌ها انجام شده و ابعاد اطلاعات کاهش می‌یابد. در مرحله دوم، واکنش‌های ناشی از یک مجموعه گسترده نانوساختارها، در فضایی با ابعاد کاهش یافته به‌کار می‌روند تا یک متغیر پنهان را در آن پیدا کنند که همه واکنش‌های امکان‌پذیر را از نانوساختار مورد نظر با کمترین میزان خطا شامل شود.

نانوساختارهای خنثی‌سازی آلودگی
 پژوهشگران دانشگاه سمنان موفق به ثبت اختراع نانوساختارهای خنثی‌سازی آلودگی پسماندهای صنایع نساجی و رنگرزی شدند.
به‌گزارش ایسنا، داود معروفی، مسئول مرکز مالکیت فکری پارک علم و فناوری دانشگاه سمنان، گفت: تولید و معرفی «نانوساختارهای صفحه به عنوان یک ماده جاذب-فوتوکاتالیست» به‌شماره ۹۹۸۲۴ به ثبت رسید. ماده تولید شده دارای خصلت دوگانه بوده؛ یعنی از یک سو جاذب فتوکاتالیست است که باعث تخریب آلاینده‌ها می‌شود و از سوی دیگر، فتوکاتالیست جاذب که قابلیت جذب بالایی دارد. از خواص مهم این ماده می‌توان به سازگاری با محیط‌زیست و بازدهی فوق‌العاده آن در جذب بالا اشاره کرد. همچنین از این ماده می‌توان برای جذب و تخریب آلودگی‌های آلی فاضلاب کارخانه‌های نساجی و رنگرزی استفاده کرد.

ابداع دقیق‌ترین شناساگر کوانتومی
فیزیک کوانتوم در حال بیرون آمدن از فضای آزمایشگاه و ورود به زندگی روزمره مردم است. باوجود اعلام نتایج درباره اینکه رایانه‌های کوانتومی توانایی انجام محاسباتی را دارند که رایانه‌های سنتی قادر به انجام آنها نیستند، چالش‌های فنی بسیاری بر سر راه ورود فیزیک کوانتومی به دنیای واقعی وجود دارد. یکی از پرسش‌های مطرح در پژوهش‌های کوانتومی این است که چگونه گرما و ترمودینامیک با فیزیک کوانتومی همزیستی دارند. ترمودینامیک کوانتومی یکی از زمینه‌هایی است که پروفسور جوکا پکولا، رئیس مرکز عالی آکادمی فنلاند(QTF) روی آن متمرکز است. وی گفت: این زمینه از لحاظ نظری تایید شده است و اکنون آزمایش‌های مهم شروع به ظهور کرده‌اند. گروه پژوهشی وی در حال کار روی ایجاد نانودستگاه‌های ترمودینامیکی کوانتومی است که می‌توانند پرسش‌های مطرح‌شده را به‌طور تجربی پاسخ دهند. حالت‌های کوانتومی مانند آنهایی که در کیوبیت‌ها که قدرت رایانه‌های کوانتومی را تامین می‌کنند، وجود دارند، با دنیای اطراف خود ارتباط برقرار می‌کنند و این تعامل‌ها همان چیزی است که ترمودینامیک کوانتومی با آن سروکار دارد. اندازه‌گیری این سیستم‌ها نیاز به تشخیص تغییرات انرژی دارد که آنقدر کوچک هستند که تشخیص آنها از نوسانات پس‌زمینه دشوار است. مشکل دیگر این است که حالت‌های کوانتومی می‌توانند پس از اندازه‌گیری تغییر کنند. بنابراین پژوهشگران مجبور بودند دماسنجی بسازند که بتواند بدون دخالت در هیچ یک از حالت‌های کوانتومی که قصد سنجش آنها را دارند، تغییرات بسیار ناچیز را اندازه بگیرد.

حمایت از تولید محصولات زیست‌فناورانه دریایی
ستاد توسعه زیست‌فناوری معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری از طرح‌های فناورانه برای تولید محصولات زیست‌فناورانه دریایی حمایت می‌کند. به گزارش ایسنا، موجودات دریایی سرمنشا تولید محصولات غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی می‌شوند. موجودات دریایی که با کمک فناوری‌های زیستی و با حمایت ستاد توسعه زیست‌فناوری معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری قرار است به رفاه بیشتر مردم کمک کنند. ستاد توسعه زیست‌فناوری معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری، از همه پژوهشگران، استادان، دانشگاه‌ها، موسسه‌های آموزشی و پژوهشی و شرکت‌های دانش‌بنیان دعوت کرده که طرح‌های فناورانه خود برای تولید محصولات زیست‌فناورانه دریایی را ارسال کنند.
این ستاد از طرح‌های برگزیده و منتج به نتیجه حمایت مادی می‌کند. این طرح‌ها قرار است نیازهای کشور در حوزه‌های گوناگون دارویی، بهداشتی، آرایشی، غذایی، تهیه غذای دام و طیور و سوخت‌های زیستی را تامین کند. طرح‌های ارسالی باید مبتنی بر فناوری‌های زیستی باشد و منجربه تولید یک محصول مشخص شود.
پیش از این ستاد توسعه زیست‌فناوری معاونت علمی و فناوری ریاست‌جمهوری اعلام کرده بود که از شکل‌گیری شرکت‌های دانش‌بنیان و استارت‌آپ‌ها و ایجاد بستر لازم برای ایجاد یک شبکه ارتباطی بین شرکت‌های دانش‌بنیان مرتبط با حوزه زیست‌فناوری دریا حمایت می‌کند. این فراخوان در ادامه توسعه این حوزه استراتژیک منتشر شده است.


چاپ