نانوحسگرها
نانوحسگرها وسیله ای هستند بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس، که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ په محرکهای فیزیکی می باشند. گستره عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتر است، به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند؛ به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس العمل نشان می دهند.
بیشتر از نانولوله ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی برای ساخت حسگرها استفاده می شود.
نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نفل ، ارتباطات با ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی و دفاعی دارند.
نانوحسگرها در صنعت ساختمان
از حسگرهای ریزمقیاس و ابزار و تجهیزات مبتنی بر ریزحسگرها، در صنعت ساختمان به دو منظور استفاده می شود:
- پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی، مانند: شعله گاز، دود، رطوبت.
- پایش عملکرد مصالح و عناصر سازه ای، مانند: تنش، کرنش، فشار، ارتعاش و فرمایش.
فناوری نانو توسعه ی حسگرهای بسیار ریز، با بازدهی و کارایی بالاتر و حوزه های کاربردی بیشتر را ممکن ساخته است. در ادامه به توضیح بیشتری در خصوص کاربرد نانوحسگرها در صنعت ساختمان پرداخته شده است.
پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی
متداول ترین سنسوری که به منظور پایش و کنترل تغییرات شرایط محیطی در ساختمان استفاده می شود سنسورهای گازی هستند که در زیر به تعریف و ساز و کار آنها پرداخته شده است.
حسگرهای گازی شیمیایی
یک سنسور گازی شیمیایی مبدلی است که مولکولهای گاز مورد شناسایی را آشکار می کند و معمولا یک سیگنال الکتریکی متناسب با مقدار گاز تولید می کند. شماتیک یک سنسور گازی شیمیایی در شکل مقابل نشان داده شده است.
امروزه با بهره گیری از فناوری نانو در عرصه ساخت سنسورهای شیمیایی نتایج بهتری در آشکارسازی گونه های شیمیایی مختلف به دست آمده است. عموما واکنش های حسگرهای گازی در دماهای بالا(c 150- 600) رخ می دهنده به همین دلیل به حسگرهایی نیاز است که برای راندمان بیشتری بتوانند از داخل گرم شوند تا دمای مورد نیاز برای واکش با گاز را تامین نمایند. به علاوه برای به حداکثر رساندن واکنش های سطح، نیاز به نسبت سطح به حجم خیلی بالا است که مواد نانو به دلیل سطح ویژه بالا بسیار مطلوب هستند.
در شکل زیر اثرات اندازه ذرات بر واکنش حسگر NOx نشان داده شده است. حسگرهای درشت دانه از پودر های تجاری با ابعاد میکرومتر و حسگرهای ریز دانه از پودر هایی با ابعاد نانو ساخته شده است. در شکل صفحه مقابل عملکرد نمونه ای دیگر از حسگر گازی نشان داده شده است. قسمت حساس این حسگرها شامل میکروالکترودهای پوشش داده شده با ترکیبات مختلفی مانند فیلم های پلیمری، نانوذرات طلا، پلاتین، نانولوله های کربنی و… هستند. پاسخ دستگاه بر اساس اندازه گیری تغییر مقاومت بین میکروالکترودها، طی عبور و جذب بخار آنالیت (ماده مورد تجزیه) از سطح میکروالکترودها و برهم کنش با لایه پوشش داده شده روی آن نسبت به عبور یک گاز شاخص مانند نیتروژن ثبت می شود جذب بخار آنالیت سبب تورم لایه حاوی نانوذرات (یا سایر نانومواد هادی پوشش دهنده سطح میکرو الکترود) شده و تغییر مقاومتی را ایجاد می کند که در محدوده های مختلفی به غلظت آنالیت وابسته است.
مثال هایی از کاربرد نانوحسگرهای گازی
نانولوله های کربنی
یکی از نامزدهای ساخت نانوحسگرها، نانو لوله ها می باشد. تحقیق در زمینه کاربرد نانو لوله ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئنا در آینده ای نه چندان دور شاهد به کار گیری آنها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و…) خواهیم بود. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده و در دمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند.
این حسگرها، به دلیل خواص فیزیکی و الکتریکی منحصر به فرد و نانولوله های کربنی، در مقایسه با حسگرهای گاز قدیمی حساسیت بالاتری دارند و توانایی آشکار سازی مقادیر بسیار اندک حدود چند ppb (در هر یک میلیاردم) از گاز های مختلف مانند دی اکسید کرین ، مونواکسید کرین، آرگون و.. را در دمای اتاق دارا می باشند. نانولوله های کربنی به دلیل هندسه منحصر به فرد و نسبت سطح به حجم بالای خود، برای جذب سطحی مولکول های گاز بسیار ایده آل هستند. دی اکسید نیتروژن NO2 گازی سمی و بی رنگ است که در صورت بالا بردن غلظت آن در هوا می تواند موجب مسمومیت شود. در حسگرهای گازی نانولوله های کربنی، رابطه بین رسانایی نانولوله های کربنی و تغییرات میزان غلظت وروردی موجود در محیط می تواند با دقت مشابه برای آشکار سازی گاز ورودی به کار رود.
حسگرهای گازی نانولوله های کربنی، ابزاری مناسب با حساسیت بالا مصرف کم و قیمت پایین می باشند.
محققان با استفاده از نانولوله های کربنی موفق به ساخت حسگری شدند که قادر به شناسایی گازهای سمی نظیر آمونیاک، پراکسید هیدروژن، سیکلوهگزان و دیگر گازها است. این حسگر قابلیت استفاده در تلفن های هوشمند را داراست. این حسگر قیمت بسیار پایینی دارد و بی نیاز از سیم و منبع تولید انرژی است، بنابراین می توان از آن در هر کجایی استفاده کرد. این تحقیق توسط پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) انجام گرفته است.
نانوذرات اکسید روی
ZnO یکی از اولین و پرکاربردترین اکسیدهای فلزی مورد استفاده قرار گرفته در ساخت حسگرها است.
این ماده در دماهای متوسط و نسبتا بالا ۴۰۰-۵۰۰ نسبت به بسیاری از گازها حساسیت خوبی را از خود نشان می دهد. از جمله گازهایی که حساسیت حسگر ZnO نسبت به آن ها بررسی شده است می توان به هیدروژن، مونوکسیدکربن، متان، اتانول، پروپانول، آمونیاک، اکسیژن، تری متیل آمین، بنزن، استون و تولوئن اشاره کرد.
نانو میله های ZnO میزان حساسیت متفاوتی را نسبت به گازهای مختلف از خود نشان می دهند.
مزایای حسگرهای نانو
– حساسیت بیشتر نانوحسگرها نسبت به حسگرهای متداول
– امکان انتخابی و گزینش بهتر فرآیند حسگری
– کاهش هزینه های تولید
– کاهش مصرف انرژی
– افزایش پایداری محیط زیست
پایش عملکرد مصالح و عناصر سازه ای
ایمنی عملکردی سازه ها و دیگر تسهیلات مهندسی، به وسیله عواملی از جمله فساد و تباهی سازه (برای مثال، فرسایش ) و آسیب دیدگی (مانند ترک خوردن) تهدید می شود. پایش سلامت سازه، مهندسان ساختمان را بر آن داشته تا حسگرها و الگوریتم هایی به این منظور تدارک ببیند تا بتوانند از هم پاشیدگی و تنزل کیفیت سازه را به موقع تشخیص داده و اقدامات اصلاحی سریع تر و کم هزینه تر را درباره آنها انجام دهند.
نانوحسگرها نیز می تواند به نوبه خود کاربردهای زیادی در سازه های بتی داشته باشند، برای کنترل کیفیت و دوام بتن، این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی نظیر اندازه گیری چگالی، میزان افت بتن و پارامترهای موثر در دوام بتن مانند: دما، رطوبت، تنش، خوردگی میلگردها و ارتعاشات طراحی شوند.
سنگ دانه های هوشمند در بتن
سنگدانه ها و غبارهای هوشمند در واقع تجهیزات چندمنظوره ای هستند که براساس سرامیک های پیزوالکتریک ساخته می شوند. این سنگدانه ها، که انرژی مکانیکی اعمال شده بر خود را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند، ابزار مناسبی برای پایش ویژگی های بتن تازه ریخته شده هستند. ویژگی هایی از قبیل رطوبت درونی، دما، رطوبت نسبی و رشد مقاومت اولیه در بتن را می توان به کمک این ذرات نانومقیاس سرامیکی که در حقیقت نوعی شبکه یکپارچه و فراگیر بی سیم را برای انتقال داده ها در سرتاسر بتن شکل می دهند، مورد سنجش و بررسی مداوم قرار داد.
این سنگ دانه ها که نقش حسگر را ایفا می کنند می توانند فرسایش و ترک خوردگی بتن را نیز پایش کند. این سنگدانه ها نه تنها برای پایش سلامت بتن مورد استفاده واقع می شوند، بلکه می توان به کمک آنها سلامت کلی سازه را نیز مورد بررسی و کنترل مداوم قرار داد. به کمک این نانوحسگرها در قالب سنگدانه، پایش ویژگی های درونی بتن از قبیل تنش های داخلی، ترک و دیگر نیروهای فیزیکی، در طول عمر مفید سازه میسر می شود.
این حسگرها فقط نقش اعلام وضعیت بحرانی را عهده دار نیستند، بلکه هشداری زودهنگام و به موقع را برای مهندسان، پیش از آنکه سازه آسیب دیده و به مرحله گسیختگی برسد، انجام می دهند.
سیستم هوشمند ساختمان
از نانوحسگرها نه تنها برای پایش سلامت سازه و مصالح استفاده می شود، بلکه در کاربردهای گوناگون معماری نیز حسگرها، وظیفه پایش کیفیت و کارایی عملکردهای اصلی بنا و سطح آسایش ساکنان بنا را بر عهده دارند. سیستم هوشمند ساختمان یک شبکه متمرکز و برنامه پذیر برای مدیریت و نظارت یکپارچه سیستم های امنیت، کنترل روشنایی، تهویه مطبوع، سیستم های رفاهی و تردد ساختمان است. وظایف این سیستم های هوشمند ساختمانی، مدیریت و صرفه جویی در مصرف همه انرژی ها شامل سرمایش و گرمایش، مصرف برق و گاز و تامین امنیت ساختمان مانند اعلام نشت گاز، اطفاء حریق و سرقت است. به عنوان مثال اگر نشتی گاز در ساختمان صورت بگیرد، حسگرهای حساس به این گاز به وسیله شماره تلفن تعریف شده با تماس یا دادن پیام هشدار این موضوع را اطلاع رسانی می کند همچنین زمانی که شخص از برنامه خروج چند روزه از منزل استفاده می کند، این سیستم به طور اتومانیک شیرهای گاز ورودی ساختمان را قطع می کند. سیستم های حرارتی و برودتی نیز خاموش و پیش بینی های دیگر اجرا می شود.
همچنین از حسگرها می توان در طراحی فضاهای مناسب برای افراد معلول و سالمند نیز استفاده کرد. حسگرهایی که به صورت یا حرکات خاصی واکنش نشان می دهند و برای مثال با حرکت دست یا گفتن عبارتی خاص، چراغها روشن یا خاموش می شوند و دیگر نیازی به طی مسافت توسط فرد معلول برای انجام این کار نباشد.
با استفاده از سنسورها و کاربرد آنها در بخش های مختلف ساختمان می توان دما، رطوبت، گرما، سرما و… را در کنترل داشت و بهینه ترین حالت عملیاتی با توجه به نوع فضای کاربردی، زمان، دما و اشخاص در محل استفاده شود.
آینده فناوری نانو در حسگرها
فناوری نانو، قادر به اصلاح و بهبود قابلیتهای نانوحسگرها و گسترش انواع جدیدی از آنها است. در چند سال اخیر ساخت تجهیزات و سیستم های نانو و بهره گیری از فناوری نانو در زمینه های گوناگون آغاز شده است و توسعه و پیشرفت آنها آینده روشنی را رقم می زند. تا سال ۲۰۲۰ احتمالا چندین عنوان از فناوری های نانو که در اوایل قرن ۲۱ ظهور یافته اند، در محصولات و کاربردهای تجاری وارد خواهند شد. تا آن زمان گروه های جدیدی از حسگرها که هزینه پایینی داشته و به راحتی می توان از آنها در ساختمان ها و تاسیسات زیربنایی استفاده کرد، صورت کاربردی به خود خواهند گرفت.
منبع:
سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
