ماسک‌های هوشمند در دسترس؛ شناسایی گازهای خطرناک به واقعیت نزدیک‌تر شد
پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ‌بوک در کره جنوبی یک حسگر گازی پوشیدنی جدید طراحی کرده‌اند. این حسگر می‌تواند به راحتی روی ماسک قرار گیرد و به‌طور لحظه‌ای گازهای خطرناک موجود در محیط را...
به گزارش پایگاه خبری پژوهندگان عصر، این فناوری با رشد مستقیم دیواره‌های نانویی گرافن بر روی الیاف پلیمری، ساختاری سلسله‌مراتبی به نام «نانو روی نانو» ایجاد می‌کند که علاوه بر افزایش سطح تماس حسگر با مولکول‌های گاز، حرکت این مولکول‌ها را نیز تحت کنترل قرار می‌دهد و در نتیجه حساسیت حسگر را بهبود می‌بخشد. در سال‌های اخیر، حسگرهای پوشیدنی به یکی از حوزه‌های کلیدی فناوری تبدیل شده‌اند. برخی از این حسگرها برای نظارت بر وضعیت بدن طراحی شده‌اند، در حالی که گروه دیگری از آن‌ها به بررسی محیط تنفسی فرد می‌پردازند. این نوع حسگرها می‌توانند بر روی پوست، لباس یا ماسک نصب شوند و وجود گازهای خطرناک را قبل از رسیدن غلظت آن‌ها به سطوح نگران‌کننده شناسایی کنند. این قابلیت به‌ویژه در محیط‌های صنعتی حائز اهمیت است؛ جایی که کارکنان ممکن است در معرض گازهای سمی یا آلاینده قرار گیرند.
با این حال، طراحی یک حسگر گازی که بتواند برای مدت طولانی بر روی ماسک یا سایر تجهیزات پوشیدنی قرار گیرد، کار آسانی نیست. حسگر باید سبک، انعطاف‌پذیر و مقاوم باشد و در عین حال اجازه دهد هوا و رطوبت به‌راحتی عبور کنند. اگر قرار باشد یک حسگر بر روی ماسک نصب شود، نمی‌توان برای افزایش حساسیت آن، مسیر تنفس کاربر را قربانی کرد. بدن انسان، برخلاف برخی تجهیزات آزمایشگاهی، معمولاً تمایلی به مصالحه با طراحی مهندسی ندارد. گروهی به رهبری سونگ‌وون لی، استاد گروه فیزیک و شیمی مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ‌بوک، برای حل این چالش به ترکیبی از نانوالیاف پلیمری و گرافن روی آورده‌اند. نتیجه این تلاش، ساخت یک شبکه نانویی سه‌بعدی است که در آن دیواره‌های نانویی گرافن به‌طور مستقیم بر روی سطح الیاف پلیمری رشد داده شده‌اند.
نانوالیاف پلیمری به دلیل وزن کم، انعطاف‌پذیری و قابلیت عبور مناسب هوا، گزینه جذابی برای ساخت حسگرهای پوشیدنی محسوب می‌شوند. با این حال، این مواد دارای یک محدودیت اساسی هستند: سطح مؤثر آن‌ها برای تعامل با مولکول‌های گاز محدود است. از سوی دیگر، تولید مستقیم مواد کربنی عملکردی مانند گرافن معمولاً نیاز به دماهای بالا دارد که می‌تواند به ساختارهای پلیمری آسیب برساند. پژوهشگران برای غلبه بر این مشکل، از روشی جدید استفاده کردند که در آن دیواره‌های نانویی گرافن با استفاده از رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسمای کم‌دما، یا CVD پلاسمایی، بر روی سطح الیاف پلیمری مقاوم به حرارت تشکیل می‌شوند. استفاده از فرایند کم‌دما این امکان را فراهم کرد که دیواره‌های گرافنی بدون تخریب شکل و ساختار اولیه الیاف رشد کنند.
در این فرایند، دیواره‌های گرافنی به‌صورت عمودی بر روی سطح الیاف قرار می‌گیرند و در نتیجه ساختاری متراکم اما همچنان متخلخل ایجاد می‌شود. این معماری نانویی، سطح در دسترس برای تماس با مولکول‌های گاز را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد، در حالی که شبکه پلیمری همچنان انعطاف‌پذیری و قابلیت عبور هوا را حفظ می‌کند. اما نکته جالب‌تر این پژوهش تنها افزایش سطح حسگر نیست. پژوهشگران متوجه شدند که دیواره‌های نانویی گرافن می‌توانند حرکت مولکول‌های گاز را نیز تحت تأثیر قرار دهند. فضای بسیار باریک میان دیواره‌های گرافنی نوعی اثر محصورشدگی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود مولکول‌های گاز برای مدت بیشتری در این فضاها باقی بمانند. این امر احتمال برخورد مولکول‌های گاز با سطح گرافن را افزایش می‌دهد و در نتیجه فرصت بیشتری برای تعامل میان ماده حسگر و گاز فراهم می‌آورد.
شبیه‌سازی‌های انتقال گاز و آزمایش‌های انجام‌شده توسط تیم پژوهشی نیز نشان داد که درون ساختار سلسله‌مراتبی دیواره‌های گرافنی، مسیر حرکت مولکول‌ها و تعداد برخوردهای موضعی آن‌ها افزایش می‌یابد. در نتیجه، حسگر تنها به این دلیل عملکرد بهتری ندارد که «سطح بیشتری» در اختیار دارد، بلکه معماری نانویی آن باعث می‌شود مولکول‌های گاز مدت بیشتری در نزدیکی سطح فعال باقی بمانند و احتمال تعامل آن‌ها با ماده حسگر افزایش یابد. همین رویکرد، یکی از جنبه‌های نوآورانه این مطالعه به‌شمار می‌رود.
پژوهشگران عملکرد ساختار توسعه‌یافته را برای شناسایی گاز دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) نیز بررسی کردند. دی‌اکسید نیتروژن یکی از آلاینده‌های مهم هوا و گازی خطرناک است که می‌تواند در محیط‌های صنعتی و شهری وجود داشته باشد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که ساختار نانوشبکه گرافنی می‌تواند عملکرد حسگری را بهبود بخشد و امکان شناسایی مؤثرتر این گاز را فراهم کند. یکی از مراحل مهم این پژوهش، خارج‌شدن فناوری از محیط آزمایشگاه و آزمایش آن بر روی یک بستر پوشیدنی واقعی بود. تیم تحقیقاتی حسگر توسعه‌یافته را بر روی یک ماسک هوشمند نصب کرد و نشان داد که این سامانه می‌تواند برای پایش طولانی‌مدت گازها مورد استفاده قرار گیرد، بدون اینکه قابلیت تنفس‌پذیری و انعطاف‌پذیری ماسک به‌طور قابل‌توجهی کاهش یابد.
به‌گفته سونگ‌وون لی، اهمیت این مطالعه تنها در افزایش سطح تماس حسگر با گازها نیست، بلکه در ارائه یک اصل طراحی جدید برای افزایش عملکرد حسگرهاست؛ اصلی که به‌جای تمرکز صرف بر افزایش سطح، حرکت خود مولکول‌های گاز درون ساختارهای نانویی را نیز کنترل می‌کند.