نانوحسگرها

نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی، و دفاعی دارند. از میان این حسگرها می‌توان به حسگرهای نانوسیمی که مواد شیمیایی و زیستی را تشخیص می‌دهند، نانوحسگرهایی که در سلول‌های خونی قرار داده شده و بسیار سریع آسیب‌های ناشی از تشعشع را در فضانوردان تشخیص می‌دهند و نانوپوسته‌هایی که تومورها را تشخیص داده و از بین می‌برند، اشاره کرد.
اگر شما از حسگرها استفاده کرده یا آنها را تولید می‌کنید، احتمالاً کسب و کار شما اثر پیشرفت‌های فعلی و آینده فناوری نانو را احساس خواهد کرد. فناوری نانو ما را قادر می‌سازد تا از طریق کنترل مواد در مقیاس اتمی و مولکولی، مواد، ابزارها، و سیستم‌های مفیدی را تولید نموده، از ویژگی‌ها و پدیده‌های جدیدی بهره‌مند شویم. با توجه به وابستگی بیشتر حسگرهای شیمیایی، زیستی و فیزیکی، به برهمکنشی که در این سطح اتفاق می‌افتد، تأثیر فناوری نانو بر حسگرها روشن است.
تمایل به مقیاس‌های کوچک‌تر با کوچک‌سازی روش‌های ماکرو آغاز، و منجر به فناوری میکرو گردید که در حال حاضر کاملاً متداول شده است. فناوری‌های میکروالکترونیکی، نوری، و مکانیکی، همگی از مزایای حسگرهای کوچک‌تر، هوشمندتر و ارزان‌تری که نتیجه کار بر روی IC ا، فیبرهای نوری، ابزارهای نوری میکروی دیگر وMEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی) بودند، بهره‌مند شدند. با پیشرفت کار به وسیله این واحدهای ساختمانی بسیار کوچک، میان فناوری نانو، فناوری زیستی و فناوری اطلاعات همگرایی به وجود آمده و از پیشرفت‌های هم بهره‌‌مند می‌شوند. اندازه کوچک‌تر منجر به وزن کمتر، مصرف انرژی پایین‌تر،حساسیت بیشتر و اختصاصی شدن می‌گردد و اینها تنها برخی از تأثیرات فناوری نانو بر حسگرها هستند.
نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی، و ایمنی ملی (که شامل دفاع ملی و عملیات نظامی است) دارند. از میان این حسگرها می‌توان به حسگرهای نانوسیمی که مواد شیمیایی و زیستی را تشخیص می‌دهند، نانوحسگرهایی که در سلول‌های خونی قرار داده شده و بسیار سریع آسیب‌های ناشی از تشعشع را در فضانوردان تشخیص می‌دهند و نانوپوسته‌هایی که تومورها را تشخیص داده و از بین می‌برند، اشاره کرد. بسیاری از شرکت‌های نوپا قبلاً در این زمینه شروع به فعالیت نموده و سعی دارند در این عرصه پیشتاز باشند. سرمایه‌گذاری در زمینه فناوری نانو بین سال‌های ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۳ به میزان ۵ برابر افزایش یافت و این روند رو به رشد همچنان ادامه دارد. بنابراین اكنون زمان مناسبی است تا قابلیت‌ها و محدودیت‌های این دنیای کوچک را ارزیابی نماییم.
● قابلیت‌ها
علاقه‌مندی جهانی به فناوری نانو نتیجه پیشرفت‌های ایجاد شده در اواخر قرن بیستم است. از مهم‌ترین این پیشرفت‌ها می‌توان به توانایی دستکاری اتم‌های منفرد به شکلی کنترل شده (نوعی ساختمان‌سازی با اتم‌ها) توسط روش‌هایی مانند میکروسکوپ روبشی پیمایشگر اشاره کرد. مانند موفقیت اولیه در تولید مقادیر قابل توجهی از نانوذرات نقره و طلا و کشف خواص مفید و جدید مواد و ابزارها در مقیاس اتمی و مولکولی (که بخشی از این امر به دلیل اثرات سطحی و کوانتومی است) به این امر کمک کرد.
عامل دیگر، تولید نانولوله‌های کربنی (CNTs) بود که استوانه‌هایی بسیار نازک و توخالی از اتم‌های کربن می‌باشند. هر دو نوع نانولوله‌های تک دیواره و چند دیواره می‌توانند در انتهای خود عامل‌دار شده و به عنوان حسگر زیستی برای تشخیص DNA یا پروتئین به کار می‌روند.
نانولوله‌های تک‌دیواره می‌توانند ساختارهای هندسی مختلفی داشته باشند . یک نانولوله کربنی بسته به جهت‌گیری دقیق اتم‌های کربن می‌تواند هادی (فلزی) یا نیمه‌هادی باشد. این ویژگی همراه با قابلیت رشد دادن نانولوله‌ها در موقعیت‌های مشخص و سپس دستکاری آنها این احتمال را ایجاد می‌كنند که بتوان از این نانولوله‌ها در ابزارهای الکترونیکی و حسگرها استفاده کرد. به عنوان مثال می‌توان از آنها به شکل منفرد یا آرایه‌ای در ساخت ترانزیستورهای اثر میدان نانومقیاس برای الکترونیک، یا به عنوان روبشگرهای منطقی برای حسگرها استفاده کرد.
▪ فناوری‌های یکپارچه روبه‌رشد: فناوری‌های مرتبط با مواد، ابزارها و سیستم‌ها كه زمانی نسبتاً جدا از هم بودند، در حال حاضر به صورت یکپارچه درآمده‌اند. ابتدا ترانزیستورها به شکل IC درآمدند. سپس ابزارهای میکرونوری با میکرومکانیک باهم مجتمع شده و PCBها را به وجود آوردند. استفاده از تراشه‌هایflip (زمانی که تراشه یک بسته است)، و قرار دادن اجزای تابع درون PCBها باعث شده است که مرزهای مابین ابزارها و سیستم‌ها در حال کمرنگ شدن باشد. سطح بالای یکپارچگی ایجاد شده توسط فناوری نانو موجب تبدیل اساسی مواد بسیار هوشمند، ابزار و احتمالاً سیستم‌ها شده است. لاری باك مدیر اجرایی شركت نانوسیس ( Nanosys) اخیراً اظهار کرده است که فناوری نانو پیچیدگی‌ها را از سیستم‌ها بیرون آورده و به درون مواد منتقل کرده است.
حال ما می‌توانیم به طور جدی در مورد حس کردن برهمکنش مابین تعداد کمی از مولکول‌ها، پردازش و انتقال داده‌ها توسط تعداد کمی از الکترون‌ها و ذخیره‌سازی اطلاعات در ساختارهای نانومقیاس بیاندیشیم. فلورسانس و دیگر ابزارهای تشخیص مولکول‌های منفرد توسعه یافته‌اند. IBM و شرکت‌های دیگر بر روی نوعی سیستم‌های ذخیره‌سازی اطلاعات‌ای کار می‌کنند که از روبشگرهای نزدیک به مبدأ برای ایجاد و خواندن برجستگی‌های نانومقیاس روی پلیمرها استفاده ‌كند. این سیستم‌ها می‌توانند اطلاعات را با دانسیته حدود ۱۰۱۲×۱ بیت بر اینچ مربع نوشته و بخوانند؛ این دانسیته از حافظه‌های مغناطیسی موجود بسیار بیشتر است. با وجودی که یکپارچه‌سازی فناوری‌های نانومقیاس چالش‌های اساسی به وجود می‌آورد، اما می‌تواند منجر به تولید حسگرهای کوچک، کم مصرف و هوشمندی شود که با قیمت ارزان و به تعداد زیاد قابل تولید هستند. این حسگرها می‌توانند در زمینه حسگری مواد ساختاری به
شکل درجا (in situ)، فراوانی حسگرها در سیستم‌ها وساختارهایی همچون ماهواره‌ها و ایستگاه‌های فضایی که با محدودیت اندازه و وزن مواجه هستند، كاربرد داشته باشد.
نانومواد و نانوساختارها زمینه‌های کاربردی دیگر می‌باشند. برای بسیاری از حسگرها، مخصوصاً آنهایی که برای شناسایی ترکیبات شیمیایی و مواد زیستی استفاده می‌شوند، دو عملکرد جدا از هم وجود دارد: اول، شناسایی مولکول یا هر چیز مورد نظر دیگر؛ و دوم،تبدیل این شناسایی به سیگنال مفید. فناوری نانو ما را قادر می‌سازد حسگرهایی طراحی نماییم که بسیار کوچک‌تر، کم مصرف‌تر و حساس‌تر از میکرو یا ماکرو حسگرهای موجود می‌باشند. بنابراین به‌کارگیری این نوع از حسگرها بسیار مفیدتر از MEMS یا میکروحسگرهای دیگر خواهد بود.
▪ پیشرفت‌های تولید: پیشرفت‌های اخیر در زمینه فرایندهای تولید بالا به پایین موجب تسریع رشد فناوری‌های میکرو و نانو شده است. سازندگان ICهای پیشرفته، از لیتوگرافی، حکاکی و لایه‌نشانی برای ایجاد ساختارهای دلخواه بر روی ماده‌ای همچون سیلیکون استفاده می‌کنند. میکروالکترونیک‌های معمولی در حال رسیدن به مقیاس نانو هستند. عرض خطوط بر روی تراشه‌ها كه نزدیک ۱۰۰ نانومتر بوده، در حال کم شدن است. ابزارهای MEMS با فرایندهای بالا به پایین مشابهی ساخته می‌شوند. با کوچک شدن ابعاد، این فرآیندها می‌توانند برای تولید اجزای نانومقیاس مختلفی به کار روند.
در عرصه نانو، از روش‌های پایین به بالای مختلفی برای ایجاد ساختارهای مفید از اتم‌ها و مولکول‌ها استفاده می‌شود. در شرایط مناسب، اتم‌ها، مولکول‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر می‌توانند خود را آرایش دهند. در غیر این صورت، آرایش مستقیم به کار می‌رود.
ترکیبی از فرآیندهای بالا به پایین و پایین به بالای نانومقیاس، ابزارهای مختلفی را در اختیار طراحان مواد و ابزارها قرار می‌دهد. همچنین طراحان می‌توانند برای توسعه سیستم‌های حسگری جدید، فناوری‌های نانو و میکرو را با هم ادغام نمایند.
▪ طراحی محاسباتی: ابزارهای جدیدی همانند سینکروترون اشعه ایکس و رزونانس مغناطیسی هسته، که اخیراً توسعه یافته‌اند، ساختارهای اتمی بسیاری از ترکیبات پیچیده را روشن نموده‌اند. اما این دانش کافی نیست؛ ما نیاز داریم كه برهمکنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها ، و برخی مواقع مراحل تبدیل به سیگنال در حسگرها را درک کنیم. وجود رایانه‌ها و الگوریتم‌های قدرتمند برای شبیه‌سازی برهمکنش‌های نانومقیاس به این معنی است که می‌توانیم نانوحسگرها را نه فقط به صورت تجربی، بلکه به صورت محاسباتی طراحی نماییم. این کار با استفاده از کدهای دینامیک مولکولی و محاسباتی که به ابزارهای اساسی تبدیل شده‌اند، صورت می‌گیرد.●واقعیت‌ها
با وجودی که فناوری نانو و کاربردهای احتمالی آن در آینده به خوبی شناخته شده‌اند، توسعه و یکپارچه‌سازی نانوحسگرها باید جزء واقعیت‌هایی به حساب آید که فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی، مهندسی، و تجارت به ایجاد آن کمک کرده‌اند. به عنوان مثال، با هماهنگ شدن فناوری‌های نانو با سیستم‌های ماکرومقیاس، باید جریان ماده، انرژی و اطلاعات بین مقیاس‌های نانو و ماکرو ایجاد و کنترل شود.
▪ مشکلات معمول طراحی: بسیاری از مسائلی که در طراحی نانوحسگرها باید مورد توجه قرار گیرند (مانند مسائل مربوط به سطوح تماس، پخش گرما و حل مشکلات مربوط به پارازیت‌های الکتریکی و مکانیکی)، مشابه مسائل میکروحسگرها می‌باشند. هر سطح تماسی در یک میکروسیستم به مفهوم انتقال ناخواسته الکتریکی، مکانیکی، دمایی و احتمالاً شیمیایی، صوتی و نوری است. برای حل مشکلات مربوط به مولکول‌ها و سیگنال‌های ناخواسته در سیستم‌های بسیار کوچک، همچنین برای کاهش پارازیت دمای پایین نیاز به تجهیزات فرعی می‌باشد. در حسگرهای شیمیایی و زیستی که گاز یا مایع وارد سیستم و سپس از آن خارج می‌شود، کنترل میزان جریان، بسیار حیاتی است. به علاوه، سطوح حساس و مناسب این حسگرها مستعد تجزیه توسط مواد خارجی، گرما و سرما می‌باشند. اما امکان نصب تعداد بسیار زیادی از این حسگرها در یک فضای کوچک موجب می‌شود که بتوانیم از عمکرد نامناسب برخی از این حسگرها صرف‌نظر کرده و سیستم را دارای عمر طولانی بدانیم.
▪ خطرات و مسائل اقتصادی: طی مسیر از تحقیقات به مهندسی، تولید محصول، درآمد، سود و عملکرد اقتصادی پایا، که برای فناوری‌ها در هر مقیاسی مشکل است، برای فناوری نانو به شکل ویژه‌ای چالش‌زاست. یکی از عوامل اصلی این کار، نداشتن تمایل سیستم‌های پر ارزش به استفاده از فناوری‌های جدید است. مشکل دیگر این است که در حال حاضر تولید بسیاری از مواد نانومقیاس در سطح انبوه مشکل بوده، در نتیجه قیمت واحد هر محصول افزایش یافته و بازار آن محدود می‌شود. هزینه‌ها در طول زمان کاهش خواهد یافت، اما برای شرکت‌های کوچک بسیار سخت است که تا قبل از برخوردن به مشکل، به سود برسند.
● کاربردها
حسگرهایی که صرفاً مبتنی بر علم نانو ‌باشند بسیار كم می‌باشند و توسعه حسگرهایی که با نانو توانمند می‌شوند، در مراحل اولیه خود می‌باشد؛ اما می‌توان برخی ابزارها و کاربردها را از قبل پیش‌بینی کرد. در برخی تلاش‌های اولیه، تمرکز بر روی توسعه حسگرهای مربوط به خصوصیات فیزیکی بوده است، اما کاربرد اصلی فناوری نانو، در حسگرهای شیمیایی و زیستی و برای مسائل مربوط به سلامتی، پزشکی و اهداف دیگر است. اخیراً Vo-Dinh، Cullum، و Stokes مطالعه‌ای در زمینه نانوحسگرها و تراشه‌های زیستی برای تشخیص مولکول‌های زیستی انجام داده‌اند.
▪ حگرهای فیزیکی: گروهی از محققان مؤسسه فناوری جورجیا به رهبری Walter De Heer با استفاده از ویژگی‌های منحصر به فرد الکتریکی و مکانیکی نانولوله‌ها، موفق به ساخت کوچک‌ترین ترازوی دنیا شده‌اند. آنها یک ذره کوچک را به انتهای یک نانولوله کربنی سوار و به سر دیگر آن، یک بار الکتریکی اعمال نمودند. نانولوله کربنی شبیه یک فنر قوی و انعطاف‌پذیر عمل نموده و بدون شکستن شروع به نوسان کرد. جرم ذره از تغییرات ایجاد شده در فرکانس ارتعاشی نانولوله، همراه و بدون ذره، محاسبه گردید. ممکن است بتوان از این روش برای اندازه‌گیری جرم تک‌مولکول‌های زیستی استفاده کرد.الکترومترها: محققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا گزارش نموده‌اند که توانسته‌اند یک الکترومتر مکانیکی زیرمیکرونی بسازند و خصوصیات آن را تغییر دهند.
این ابزار نسبت به بار کمتر از یک الکترون در واحد پهنای باند (حدود ۰.۱ الکترون بر هرتز در ۲.۶۱ مگاهرتز) حساس می‌باشد که بهتر از مقدار مشابه آن برای جدیدترین ابزارهای نیمه‌هادی است. حسگرهای
▪ شیایی: در چند سال گذشته چندین حسگر گاز مبتنی بر نانولوله‌ها گزارش شده‌اند. Modi و همکارانش یک حسگر گاز یونیزه مبتنی بر نانولوله کربنی را توسعه داده‌اند. از این حسگر می‌توان در کروماتوگرافی گازی بهره برد. حسگرهای هیدروژن مبتنی بر نانولوله تیتانیوم در شبکه‌ای از حسگرهای بی‌سیم مورد استفاده قرار گرفته است تا غلظت هیدروژن را در جو اندازه بگیرند. كنگ و همکارانش یك حسگر شیمیایی برای مولکول‌های گازی مانندNO۲ و NH۳ را توسعه داده‌اند که مبتنی بر سیم‌های مولکولی نانولوله‌ای است.
Datskos و Thundat از یک روش اشعه یونی برای تولید نانولرزانک‌ها استفاده نموده‌اند و از یک روش تبدیل الکترونی برای اندازه‌گیری حرکات لرزانک استفاده نموده‌اند. حساسیت این روش می‌تواند تا اندازه‌ای باشد که بتوان مولکول‌های شیمیایی و زیستی را با آن تشخیص داد. همچنین می‌توان از نانوتسمه‌های ZnO که ساختار آنها تغییر یافته است، در حسگرهای نانولرزانک استفاده کرد.
▪ حسگرهای زیستی: فناوری نانو همچنین امکان شناسایی بسیار انتخابی و حساس محدوده وسیعی از مولکول‌های زیستی را فراهم می‌آورد. از طریق احیای متناوب الکتروشیمیایی یون‌های فلزی بر روی یک بستر آلومینا می‌توان میله‌هایی استوانه‌ای ساخت که طول آنها از ۵۰ نانومتر تا ۵ میکرومتر متغیر است. این ذرات را که نام تجاری آنها نانوباركد می‌باشد، می‌توان با مولکول‌های مختلفی همچون آنتی‌بادی‌‌ها پوشاند تا برای تشخیص انتخابی مولکول‌های پیچیده مورد استفاده قرار گیرند. تشخیص DNA نیز با این ذرات کددار نانومقیاس انجام پذیرفته است.
محققان مرکز تحقیقات Ames در ناسا مسیر متفاوتی را طی کرده‌اند. آنها سطح یک تراشه را با میلیون‌ها نانولوله کربنی به قطر ۳۰ تا ۵۰ نانومتر که به صورت عمودی قرار گرفته‌اند، می‌پوشانند (شکل۵). زمانی که مولکول‌های DNA متصل شده به انتهای این نانولوله‌ها در مایعی حاوی DNA خاص قرار می‌گیرند، DNA قرار گرفته روی تراشه به مولکول هدف متصل شده و هدایت الکتریکی آن افزایش می‌یابد. این روش که حساسیت آن با حساسیت روش‌های مبتنی بر فلورسانس قابل مقایسه می‌باشد، می‌تواند در حسگرهای قابل حمل مورد استفاده قرار بگیرد.
▪ نانوحسگرهای قابل گسترش: SnifferSTAR که یک سیستم شناساگر سبک و قابل حمل می‌باشد، مثالخوبی از توانایی فناوری نانو در کاربردهای میدانی است. این سیستم منحصر به فرد از یک نانوماده (برای جمع‌آوری و تغلیظ نمونه) به همراه یک شناساگر آزمایشگاه روی تراشه مبتنی بر MEMS تشکیل شده است. SnifferSTAR احتمالاً در زمینه امنیت ملی و دفاعی کاربرد خواهد داشت. این سیستم یک مورد ایده‌آل برای استفاده در سیستم‌های بدون سرنشینی مانند میکروسیستم‌های پرنده بی‌سرنشین می‌باشد.
●مطالب تکمیلی
انتظار می‌رود حسگرهای فناوری نانو در زمینه‌های دیگری همچون حمل و نقل (زمینی، دریایی، هوایی، و فضایی)، ارتباطات (باسیم و بی‌سیم، نوری و RF)، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی (منازل، دفاتر، و کارخانجات)، زمینه‌های مربوط به سلامتی (سلامتی و تصویربرداری پزشکی) و انواع ربات‌ها کاربرد داشته باشند. همچنین شاهد خواهیم بود که حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو به طور فزاینده‌ای در محصولات تجاری و نظامی وارد خواهند شد. کارخانه‌های جدید زیادی مواد نانو و تعدادی کارخانه نیز بر مبنای این مواد حسگرها را تولید خواهند نمود.
●●جمع بندی
قطعاً فناوری نانو باعث توسعه حسگرهای موجود شده و در توسعه حسگرهای جدید نیز مؤثر خواهد بود. این زمینه در حال پیشرفت است، ولی برای اینکه شاهد تأثیر آن باشیم، باید کار زیادی انجام پذیرد. از میان چالش‌های موجود در این زمینه می‌توان به کاهش قیمت مواد و ابزارها، توسعه اطمینان‌پذیری و استفاده از این ابزارها در محصولات مفید اشاره کرد. با تمام این توضیحات می‌توانیم ورود مواد و ابزارهای نانومقیاس به سیستم‌های واقعی را ببینیم و آینده این فناوری مقیاس کوچک را بسیار روشن بدانیم.

منابع :
Sensor Technology Handbook, Chap. ۲۱, ۲۰۰۵, Elsevier Inc.

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو