page contents
مبادئ فيزيائية

الانف الالكتروني – أنابيب الكربون النانوية في مجسات الكشف عن الغازات

الانف الالكتروني – أنابيب الكربون النانوية في مجسات الكشف عن الغازات 

Carbon nanotubes gas sensors

يشكل الاهتمام العالمي المتزايد بالبيئة والمخاطر الصحية حافزا قويا للبحث عن وسائل دقيقة وسريعة للكشف عن العديد من المركبات الكيميائية وخصوصا السام منها. يستخدم لهذا الغرض مجسات حساسة تعرف بالأنوف الالكترونية. والكثير من الصناعات الغذائية ابدت اهتماما كبيرا بهذه المجسات للكشف عن الأغذية الفاسدة كما وتلعب دورا هاما في تحديد مدى جودة العطور ومنتجات عديدة أخرى. هناك مجالات متقدمة أخرة تحتاج الى المجسات الدقيقة كصناعة البتروكيماويات وأشباه الموصلات. من أجل تلبية هذه الحاجات الملحة والمتزايدة كان لابد من توفر مجسات على درجة عالية من الدقة وذات أحجام صغيرة جدا وباسعار مناسبة على الجانب الاخر لابد لهذه المجسات من اعطاء رد فعل فوري وثابت ومتكرر عند مدى واسع من المركبات الكيميائية بتركيزات ضيلة جدا قد تصل الى جزء من المليون.

المجس هو جهاز يتلقى اشارة او محفز خارجي فيستجيب له باعطاء اشارة كهربية. تستجيب المجسات لمتغيرات مختلفة قد تكون كيميائية، أو ضوئية، أو اشعاع، أو ضغط، أو حركة او اي من الظواهر الفيزيائية او البيولوجية. والسبب في اقتصار رد فعل جميع المجسات على الاشارات الكهربية يعود للتقدم الكبير الجاري في تكنولوجيا معالجة الاشارات الكهربية وعالم الاجهزة الالكترونية. 

اجمالا يتكون المجس من ثلاث اجزاء رئيسية 

لهذه المجسات تصنيفات مختلفة تعتمد على الطريقة التي يقيس بها كما هو موضح في الجدول التالي:  

مجسات الكشف عن الغازات

القدرة على الكشف بسرعة وبشكل موثوق عن وجود أو عدم وجود مواد كيميائية معينة قد تكون قضية حياة او موت. مثلا تسرب غازات سامة، ورصد الغلوكوز في مجرى الدم، اختبار المركبات الضارة في الأطعمة، والإنذار المبكر من عوامل الحرب الكيميائية والبيولوجية تتطلب جميعها مجسات موثوقة وذات درجة عالية من الحساسية.  

يوجد الكثير من المجسات الطبيعية في الأنظمة الحيوية والكائنات الحية. من أشهر المجسات الطبيعية والتي حاول الانسان تقليده هو نظام الشم. حيث ان الهواء يعتبر هو المصدر الرئيسي للعديد من العمليات الحيوية فان غياب بعض عناصره او وجود عناصر اخرى غريبة فيه من الممكن ان يؤدي الى اضطراب في هذه العمليات الحيوية. معظم هذه الغازات عديمة اللون ولكنها قد تتميز برائحة معينة ولذا فقد اعتمد الانسان على حاسة الشم للكشف عنها. حاسة الشم عند الانسان يمكنها التعرف على الروائح العديدة حيث تصنفها الى عشرة فئات اساسية تبعا للخلية المستقبلة والتي تظهر استجابات متماثلة للمركبات الغازية المتطابقة.

توجد الخلايا المستقبلة في الانسان في بطانة الجهاز التنفسي بما يعرف بمنظومة حاسة الشم. بعض من الغازات التي تلتقطها الخلايا المستقبلة تتفاعل مع جزيئاتها مما ينتج عنه جهد كهربي ينتقل خلال محور الخلية العصبي الى الخلايا العصبية الثانوية ومنه الى تجويف جهاز الشم. يمكن التمييز بين الغازات المختلفة اذا اعطت قيم مختلفة للجهد الكهربي عند تفاعلها مع جزيئات الخلية المستقبلة. بعد ذلك تتم معالجة الاشارات الكهربية المرسلة من جهاز الشم في المخ مما يولد الشعور بالرائحة. جهاز الشم في الانسان حساس للغاية ويمكن بواسطته التمييز بدقة بين الغازات المختلفة حيث تبلغ حساسية خلايا الشم في الانسان لدرجة الاحساس بجزء نسبة تركيزه 1:1012 في الهواء.

بدأ انتاج مجسات صناعية بناءا على المعايير الاساسية في تكنولوجيا المجسات وهي تركيب المادة الفعالة، آلية عمل المجس، طرق تصنيعة وخصائصه مما يتطلب دمج مختلف التكنولوجيات التمكينية في جهاز واحد، الأمر الذي يتطلب بوضوح جهود متعددة التخصصات. لكن التحدي الأكبر يكمن في دمج المادة الحساسة مع الدائرة الالكترونية على نفس الرقاقة الالكترونية لنحصل على اجهزة قياس صغيرة بأسعار منخفضة. مما يدخلنا الى عالم ما يسمى بالأجهزة النانوية “     nanodevices    “.

الأجهزة النانويةnanodevices    

تعتبر الأجهزة النانوية من أهم العناصر التي ستهيئ للبشرية الاستغلال الكامل للقدرات التكنولوجية في جميع المجالات الميكانيكية والالكترونية والمغناطيسية، والبيولوجية مما سيكون لها اثر كبير على التحكم بالتلوث وعلى انتاج الغذاء والعناية بالصحة. المجسات النانوية تعتبر من أكثر الأجهزة النانوية أهمية لارتباطها بصناعة تكنولوجيا المعلومات.

المجسات النانويةnanosensors     

هي مجسات نقطية تستخدم لنقل المعلومات عن العالم النانوي الى عالمنا العياني. ومنها مجسات الكشف عن الغازات والتي تسمى أحيانا الأنوف إلكترونية، وهي أجهزة قادرة على التقاط ومعالجة الإشارات التي تنتج عن عمليات التفاعل المحددة والقابلة للتكرار مع جزيئات الغاز، في واحدة أو أكثر من طبقات المادة الحساسة في المجس. وقد تم تطوير هذا النوع من الأجهزة من خلال الإنتاج المنتظم لمواد استشعار جديدة، وتوافر أنظمة القياس الالكترونية الحساسة والسريعة من خلال النمو المعرفي في نظم تحليل ومعالجة البيانات. حيث نرى ان الحاجة الماسة لمثل هذه المجسات الدقيقة يتزامن مع التقدم في العديد من مجالات التكنولوجيا الضرورية لبنائها حيث عرف الكثير عن الكشف عن جزيء باستخدام جزيء اخر، وهو ما يعرف باسم التعرف الجزيئي، ولكن بناء جهاز نانوي يمكنه الكشف عن عدة جزيئات مستهدفة في وقت واحد، ومن ثم معالجة المعلومات وبث الإشارات لا يزال يمثل تحديا. 

ان التركيبات النانوية الجديدة للمادة كأنابيب الكربون النانوية، والاسلاك والكرات النانوية أثبتت كفاءة عالية في الاستخدام كمجسات للكشف عن العديد من الظواهر الفيزيائية والبيولوجية. وفتحت الأفاق لتطوير المجسات نتيجة لدقة حجمها حيث أصبح من الممكن الكشف عن التغيرات الطفيفة جدا والتي تعجز المجسات التقليدية عن الكشف عنها. قد تصل دقة المجسات النانوية سواء كانت كيميائية أو حيوية لمستوى التعامل مع جزئ واحد من المادة وكما ويمكن تقصير زمن استجابة المجسات النانوية أكثر فأكثر.

المعايير الأساسية للمجسات الجيدة والفعالة للغازات

(1) درجة عالية من الدقة والحساسية.

(2) مستوى عال من الانتقائية.

(3) وقت استجابة سريع.

(4) وقت انتعاش قصير.

(5) درجة حرارة تشغيل منخفضة، مع عدم الاعتماد على درجة الحرارة.

(6 الاستقرار في الأداء. 

هناك العديد من المواد المستخدمة كمواد حساسة في مجسات الكشف عن الغازات من ابرزها البوليمرات، أكاسيد المعادن، أشباه الموصلات، وغيرها من المواد المسامية التي يسهل اختراقها مثل السيليكون. بما ان آلية عمل مجسات الغازات تعتمد اساسا على مبدأ الامتزاز بين جزيئات الغاز والمادة الحساسة في المجس فان زيادة مساحة الاتصال بينهما ستؤدي بالضرورة الى زيادة حساسية المجس. هذا جعل المواد النانوية ذات التركيب المجوف والتي تكون نسبة مساحتها السطحية الى حجمها كبيرة جدا موادا مثالية للاستخدام كمادة حساسة في مجسات الكشف عن الغازات لذا نجد أن تكنولوجيا المجسات النانوية تعتمد كلية على مواد نانوية بتراكيبها المختلفة مثل الجسيمات النانوية او الاسلاك النانوية أو الانابيب النانوية.

في جميع المواد تعتمد الية الكشف عن وجود الغازات على انتقال الشحنات بين المادة الفعالة المستخدمة في صناعة المجس وبين الغاز المراد الكشف عن وجوده والذي يلتصق بسطح المجس. الالية الحقيقية لعمل المجسات من هذا النوع تعتمد على العديد من العوامل مثل

· مدى نشاط العنصر التفاعلي (المادة الحساسة في المجس).

· التركيب الدقيق للعنصر.

· تركيز حاملات الشحنة الحرة (سواء الكترونات أو فجوات).

· خواص سطح المادة المستخدمة.

كما اصبح واضحا فان فكرة عمل مجسات الكشف عن الغازات تعتمد على قياس التغيرات الدقيقة في حركة الكهرباء عبر الطبقة السطحية للمجس والتي تسببها جزئات الغاز التي التصقت به. وبالتالي فان زيادة المساحة السطحية تؤدي الى زيادة حساسية المجس. مما وجه اهتمام العلماء الى ما يسمى بمعجزة القرن الواحد والعشرين الى انابيب الكربون النانوية حيث، يمكن الكشف عن التغيير في الخصائص الكهربية لانابيب الكربون النانوية أو المواد المركبة منها عند تعرضها لغازات معينة بطرق عديدة.

انابيب الكربون النانوية

تنتمي انابيب الكربون النانوية إلى أسرة هياكل الفوليرين. هناك نوعان من الأنابيب النانومترية : أنابيب الكربون النانوية وحيدة الجدران (SWCNTs    ) وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (     (MWCNTيمكن اعتبارSWCNT     كطبقة بسمك ذرة واحدة من الجرافيت مطوية في شكل اسطوانة بقطر عدة نانومترات، بطول 1-100 ميكرون. تتركب أنابيب الكربون النانوية متعددة الطبقات     MWCNTs من طبقتين إلى عشرات الطبقات من الجرافيت مرتبة على شكل إسطوانات الواحدة داخل الأخرى مع وجود مسافات فاصلة بين الطبقة والأخرى حوالى .34     nm.36 – بحيث يكون لها نفس المحور المركزي. هيكل الأنابيب الكربونية يمنحها العديد من الخواص المميزة فمن الناحية الميكانيكية تعتبر الياف انابيب الكربون النانوية أقوى وأصلب الألياف المعروفة حاليا فالرابطة بين ذرة الكربون والكربون الأخرى فى تركيب الأنبوبة أقصر من الرابطة فى حالة الماس، مما يرجح أن أنابيب الكربون النانوية أقوى من الماس حيث أن قوة الرابطة تزداد كلما قصرت.. حراريا، تتميز أنابيب الكربون النانوية بدرجة عالية من الثبات الحراري في كل من الفراغ والهواء.  

من حيث الخصائص الكهربائية ،فهي قد تحمل صفات العناصر المعدنية أو شبه الموصلة ، وذلك حسب قطر الأنبوب وكيفية لفه (الاتجاه الذي يتم به لف ورقة الجرافيت على شكل أنبوب) فأنبوبة الكربون النانوية أحادية الطبقة لها 3 أشكال أو ترتيبات للذرات بداخلها     وهىzigzag     ،     chiral     ،   armchair وذلك له تأثيره على خواصها الكهربية.. خاصية العزل في الأنابيب النانوية متباينة جدا وذلك بسبب هياكلها التي تكاد تكون ذات بعد واحد مما يمكنها من حمل تيارات عالية بتاثيرلت حرارية ضئيلة جدا.

تصميم المجسات

استخدمت العديد من التقنيات لبناء المجسات تباينت ما بين تقنيات النانو الحديثة الى عمليات التصنيع اليدوية ولكن اجمالا فان عملية التصنيع تتلخص في ترسيب طبقة من المادة الفعالة (انابيب الكربون النانوية) على رقيقة من السيليكون مرسب عليها مسبقا أقطاب من الذهب بنمط معين كما في الشكل التالي:

امتزاز الغاز بأنابيب الكربون النانوية

عادة، ما ترتبط أنابيب الكربون النانوية في شكل حزم بقوة فان ديرفال وبالتالي تكون هناك اربع مناطق أساسية يمكن ان تتركز بها الغازات كما هو موضح في الشكل

1.المسام الداخلية لكل انبوب.

2.السطوح الخارجية لحزمة الانابيب.

3.الأخاديد التي تتكون في مناطق اتصال الانابيب معا لتكوين الحزمة.

4.القنوات التي تتكون عند التقاء ثلاث انابيب معا في الحزمة.

الية عمل مجسات انابيب الكربون النانوية

يتم تحديد الخصائص الالكترونية لانابيب الكربون النانوية من قيمة معامل الالتفاف ونصف قطر الانبوب كما اوضحنا سابقا ومع ذلك، فقد ثبت بالتجربة أن الخصائص الإلكترونية تتأثر بشدة بالوسط الكيميائي الذي تتواجد به هذه الأنابيب، وخاصة تعرضها لغاز الاكسجين فقد وجد أن العديد من الصفات الكهربية كالمقاومة الكهربائية، والقدرة الحرارية والكثافة المحلية السطحية يمكن أن تتغير بطريقة مستردة من خلال تعرضها لتركيزات صغيرة جدا من الاوكسجين، كما وجد انه من الممكن تحويل انابيب الكربون النانوية شبه الموصلة إلى معادن من خلال التعرض للاكسجين في درجة حرارة الغرفة أظهرت التجارب أيضا أنه بوضع انابيب الكربون النانوية في وسط مفرغ عند درجة حرارة 500 كلفن بعد تخزينها في الهواء فان قيمة القدرة الكهربية الحرارية لها تنخفض بصورة ملحوظة. جميع هذه التجارب تؤكد فعالية انابيب الكربون النانوية في الكشف عن الغازات ولكن لوحظ انه من الأفضل استخدام انابيب الكربون المطعمة بالاكسجين وليس انانبيب الكربون النقية.

عمل هذه الانابيب يعتمد على التفاعل بين أنابيب الكربون النانوية وجزيئات الغاز التى ينتج عنها تغير فى التوزيع الالكترونى للكربون والذى ينشأ عنه تغير فى الاشاره الكهربائية بسبب مرور تيار كهربائي او تغيرفى الجهد الكهربائي، وبحساب ذلك التغير قبل وبعد التعرض لجزيئات الغاز أمكن حساب تركيزه بدقه وحساسيه عاليه فقد تصل الى حساب تركيزات ضئيله جدا تصل الى جزء من البليون.

تعزى التغييرات في الحالة الإلكترونية لانابيب الكربون عند التعرض لجزيئات الغاز لنقل الشحنة بين جزيئات الغاز والأنابيب النانوية (جزيئات الغازات اما ان تكون الجهة المانحة أو المستقبلة للإلكترون). ومع ذلك،فقد وجد ان كلا من مقاومة انابيب الكربون النانوية وقدرتها الحرارية تتاثر بشدة بالغازات الخاملة ايضا (N2، H2) حيث يكون من الصعب تبادل الإلكترون مع انابيب الكربون النانوية. وبالتالي فمن المتوقع أن نقل الشحنات بين جزيئات الغاز والأنابيب النانوية يكاد لا يذكر. مما يعني أن التغييرات في المقاومة هي نتيجة للتغيير في عمر الإلكترونات والفجوات (أو بما معناه سرعة انتقال الشحنة). سبب هذه التغييرات الكبيرة في عمر ناقلات الشحنة قد يكون تشتتها المتزايد نتيجة لعدم الانتظام الناتج عن امتزاز جزيئات الغاز أو أو بسبب الفونونات الغير حرارية الناتجة عن اصطدام جزيئات الغاز مع جدار أنابيب الكربون.

وبالتالي نرى ان انابيب الكربون النانوية تستجيب لمجموعة كبيرة من الغازات بحيث تكون هي الجهة المانحة للإلكترون عند امتزازها بغاز O2 and NO2وتكون طاقة الارتباط بين الغاز وانابيب الكربون كبيرة (0.30-1.0ev) ولكن مع الغازات الأخرى مثل NH3، CO2، CO، H2O، N2، H2 تكون انابيب الكربون هي الجهة المستقبلة للإلكترون وتكون طاقة الارتباط ضعيفة نسبيا ((<0.15 eV).

بناء على هذه الملاحظات، فان استجابة انابيب الكربون النانوية لمجموعة متنوعة من الغازات يكون نتيجة للتغير في طاقة فيرمي اما نتيجة لانتقال حاملات الشحنة ما بين الغاز وانابيب الكربون أو عن طريق تزايد التشتت نتيجة وجود شوائب الغاز الملتصقة بانابيب الكربون.. وقد وضعت معادلة لفهم هذا الافتراض

S= S0 +(ρa0)(Sa– S0)

(1) وحيث، S0هي قيمة القدرة الحرارية الناتجة من مقاومة انابيب الكربون النانوية قبل امتزازها بالغاز ρ0بينما S هي قيمة القدرة الحرارية الناتجة عن مقاومة انابيب الكربون ρaبعد امتزاز الغاز.

خلاصة القول

من الجدير بالذكر هنا أن انابيب الكربون يمكن ان تستخدم أيضا في صناعة المجسات الحيوية للكشف عن العديد من الجزيئات البيولوجية مثل جزيئات الحامض النووي DNA، RNA والبروتين لان جميع هذه الجزيئات تحمل قدر عالي من الشحنات وبالتالي يكون من السهل تبادل الشحنة بينها وبين انابيب الكربون النانوية عند امتزازها بها مغيرا الخصائص الكهربية للانابيب الكربونية بنفس الطريقة كما في حالة الغازات.

رغم الحساسية الشديدة والفعالية التي ابدتها انابيب الكربون النانوية كمجسات للكشف عن الغازات الا انه هناك العديد من التحديات التي لابد من مواجهتها من اجل الوصول بهذه التكنولوجيا الى الأسواق. من ابرز هذه التحديات التغلب على صعوبة تصنيع انابيب كربون نانوية نقية، تقصير زمن الاستجابة عند التعرض للغاز وتقصير الزمن اللازم لكي تعود الانابيب لحالتها الاولى بعد انحسار الغاز.

بقي ان نقول انه ورغم المميزات الكثيرة لهذه المجسات الدقيقة وما قد تحققه من كشف عن الغازات السامة او الانذار المبكر بمخاطر كثيرة قد تنقذ حياة الانسان وتجعلها أكثر أمنا الا انها تحمل في طياتها بعض السلبية حيث ان القدرة المبالغ فيها في الكشف عن النسب الضئيلة جدا من الملوثات والسموم في الهواء الذي ننفسه او الماء الذي نشربه قد تصيب الانسان بنوع من الهوس والوسوسة بحيث يصبح غير قادر على الاستمتاع بحياته.

مع خالص تحياتي

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

لمزيد من المعلومات

http://en.wikipedia.org/wiki/Nanosensor

Carbon Nanotube Sensors، Jun Li، Hou Tee Ng،www.aspbs.com/enn

http://www.hindawi.com/journals/js/2009/493904.html

http://www.cpec.nus.edu.sg/myweb/newsletter/news4/development.html

تعليقات

تعليقات

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق