بخشی از مقاله
چکیده
امروزه شناسایی مواد شیمیایی، مواد منفجره و عوامل آلودهکننده خاك و آب یک مشکل اساسی بشر در بسیاري از بخش-هاي جهان است زیرا این مواد سبب آلودگی محیط زیست میشوند و خطرات زیادي دارند. بنابراین باید این مواد شناسایی و محیطهاي آلوده شده پاکسازي شوند. همچنین شناسایی سریع و مؤثر مواد منفجره یک عامل مهم امنیتی براي مقابله با حمله تروریستها است. این مسئله بویژه در مکانهاي عمومی مانند هواپیماها و قطارها بسیار ضروري میباشد. تهیه مواد در مقیاس نانو در علوم و مهندسی بسیار مورد توجه است. در این مقاله تعدادي از روشهاي شناسایی مواد منفجره معرفی و توضیح داده شده است. در این روشها از نانوتکنولوژي بهره گرفته شده است.
.1 مقدمه
مواد منفجره ترکیباتی شیمیایی هستند که در اثر عوامل مختلفی از جمله ضربه، حرارت و شعله تجزیه شده و حجم زیادي گاز و حرارت تولید میکنند. روشهاي مختلفی جهت شناسایی مواد منفجره وجود دارد. استفاده از نانوتکنولوژي در شناسایی مواد منفجره، عملکرد، سرعت و دقت را در امر تشخیص مواد منفجره افزایش میدهد. در مطالعات اخیر محققان از علوم نانو بهره گرفته و ترکیبات، دستگاهها و تجهیزات بسیار مناسبی جهت شناسایی ترکیبات انفجاري ساختهاند که در ذیل به تعدادي از این روشها اشاره شده است
در سالهاي اخیر استفاده از حسگرها به دلیل حساسیت زیاد براي شناسایی مواد منفجره پیشنهاد شده است. نانو حسگرها وسایل بسیار کوچک با قابلیت حسگري بالایی هستند. نانو سیمها/نانولولهها و وسایل نانو شیمیایی، نانوحسگرهایی با توانایی بسیار قوي جهت شناسایی مقادیر جزئی مواد منفجره هستند. نانوساختارهایی مانند کربن و نانولولههاي آلی - NT - ، نانو سیم-ها و نانولولهها، نسبت مساحت سطح به حجم بالایی دارند و داراي خواص الکتریکی و نوري ویژهاي میباشند که در شناسایی جذب مولکولی با حساسیت بالا مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال در شکل 1 رسانایی الکتریکی در یک نانولوله، به دلیل برهمکنش با مولکولهاي یک آنالیت منفجره به علت جذب با انتخابگري بالا، به شدت تغییر میکند.
شکل -1 توصیف الگوي عملکرد یک حسگر نانوسیم
اثرات نانومکانیکی القا شده بوسیله جذب مولکولی، روش جدیدي براي شناسایی مواد منفجره ایجاد میکند. حسگرهاي نانومکانیکی از قبیل پرتوهاي پایه، روشهاي عملکردي متفاوتی دارند. براي مثال هنگامی که مولکولهاي مواد منفجره جهت شناسایی روي پایه ساخته شده از نانوساختارهاي سیلیکونی قرار میگیرند، فشار سطحی ایجاد میکنند و پایه منحرف می-شود
جذب تفاضلی بوسیله عدم تحرك یک لایه انتخابی روي یک سمت پایه بدست میآید. انتظار میرود که نانوپایهها، شناسایی جرمی با حساسیت بسیار بالایی ایجاد کنند.
شکل -2 جذب مولکولی القا کننده انحراف یک پایه
در حسگرهاي الکتروشیمیایی هنگامیکه مواد شیمیایی با الکترودها واکنش میدهند، این حسگرها تغییرات محیط را از طریق تغییر در جریان انتقال میدهند. سه نوع اصلی حسگرهاي الکتروشیمیایی شامل پتانسیومتري، آمپرومتري و هدایت سنجی است. همچنین شناسایی مواد منفجره به کمک حسگرهاي آمپرومتري بیوشیمیایی نیز قابل انجام است. این حسگرهاي حساسیت را محدود میکنند و به الکترولیت متحرك نیاز دارند. نانوترکیباتی از نانوذرات فلز با نانولولههاي کربنی که در Nafion حل میشوند، براي شناسایی TNT و سایر مواد منفجره نیتروآروماتیک بکار میروند. الکترودهاي کربنی شیشهاي حاوي نانوذرات مس و نانولولههاي کربنی تک دیواره تا حد 1 ppb قادر به شناسایی هستند. الکترودهاي کربنی شیشهاي بهبودیافته بوسیله نانولولههاي کربنی تک دیواره نیز براي شناسایی TNT مورد استفاده قرار میگیرند
.1 شناسایی مواد منفجره به وسیله فیلمهاي نانوالیاف
فیلمهاي نانوالیاف آلی ACTC 1 ، براي شناسایی بخار مواد منفجرهاي از قبیل TNT و 2 - DNT، -4 دي نیترو تولوئن - بکار میروند. این ماده حسگر، با تغییر میزان فلورسانس کار میکند. هنگامی که نانوالیاف ACTC با نور ماوراءبفش تحریک میشود، با گسیل نور آبی از حالت تحریکشده به حالت عادي برمیگردد. در حضور این مولکولهاي انفجاري، حالت تحریکشده ACTC با انتقال یک الکترون به مولکول انفجاري تقلیل یافته، شدت گسیل نور آبی از نانوالیاف کاهش مییابد. این کاهش در شدت گسیل نور آبی، امکان شناسایی کارآمد این مواد خطرناك را فراهم میکند. تخلخل بالاي فیلم نانوالیاف اجازه نفوذ مولکولهاي گاز را در سرتاسر فیلم میدهد و بازده حسگري، مستقل از ضخامت فیلم است. فیلم هاي ضخیمتر استحکام بیشتري دارند؛ اما فیلمهاي آلی مخصوص کاربردهاي حسگري، براي داشتن بازده بالا، باید نازك - در حد 10nmو کمتر - باشند.
این فیلمهاي نانوالیاف، بازده بالا و استحکام خوبی دارند. حسگري مبتنی بر تغییرات فلورسانس هم براي مواد منفجرة نیترو- آروماتیکی TNT و DNT و هم براي ماده مرکب مبتنی بر نیترو غیرآروماتیکی مانند 2، -3 ديمتیل- 2، -3 دي نیترو بوتان - DMMB - ، کاربرد دارد. حد شناسایی براي TNT میتواند حدود 10 ppt باشد، که این مقدار براي شناسایی معادن، کافی است. بخار TNTمستقیماً در بالاي یک معدن در حدود 40ppt است؛ در حالی که بهترین سیستمهاي الکترونیکی، تنها میتوانند حدود 100 ppt را شناسایی کنند. دانشمندان انتظار دارند که این فیلم نانوالیاف، سایر مواد منفجرة مبتنی بر نیتروژن مانند RDX - یک جزء معمول در مواد منفجرة پلاستیکی - و PETN را هم شناسایی کند.
شکل–3 ساختار مولکولی ACTC
.2 تولید حسگر ارزان و حساسی براي شناسایی مواد خطرناك
حسگر بسیار حساسی از جوهر حاوي نانوذرات، قادر به شناسایی آمونیاك میباشد. مزیت این حسگر حساسیت بالاي آن به مقادیر بسیار کم آمونیاك است. این حسگر بیسیمی جدید میتواند مقادیر بسیار اندك از مواد تشکیل دهنده مواد منفجره را شناسایی کند. در این حسگر نانولولههاي کربنی با استفاده از فناوري فواره جوهر، روي یک ماده ورق مانند نشست داده شده است. با استفاده از این دستگاه میتوان مسئولین را از وجود مواد منفجره مطلع کرد. این دستگاه شامل یک حسگر و یک دستگاه مخابراتی بسیار کوچک است که هزینه تولید آن کم بوده و از آن میتوان در هرجا استفاده کرد.
شکل-4 حسگر حساس به مواد منفجره
بخش شناساگر حسگر مبتنی بر نانولولههاي کربنی عاملدار است که براي شناسایی مواد منفجر مورد تست قرار گرفته است. تفاوت میان این حسگر جدید با نمونه قبلی در آن است که حساسیت حسگر مبتنی بر نانولولههاي کربنی به آمونیاك بسیار بالاتر از نمونه قبلی است. بنابراین از این حسگر جدید میتوان براي شناسایی مقادیر بسیار اندك از این گاز سمی در محیطهاي کاري استفاده کرد. کلید اصلی در ساخت این قطعه آن است که در آن از جوهر جدیدي حاوي نانوذرات استفاده شده است که در دماي 100°C روي سطح چاپ میشود. با استفاده از روشی موسوم به سونیک کردن، ویسکوزیته جوهر و همچنین یکنواختی آن به حالت بهینه میرسد.
این کار چاپ جوهر بهصورت یکنواخت رخ داده و اثربخشی آن براي قطعات مبتنی بر کاغذ افزایش مییابد. این روش نسبت به روش هایی نظیر اچ تر، بسیار ارزانتر است. همچنین این جوهر را میتوان براي تولید مدارات و قطعات مورد استفاده قرار داد و دیگر نیاز به راهبردهاي استفاده از اتاق تمیز نیست. از سوي دیگر در این سیستم جدید از مواد ارزان قیمت نظیر کاغذ عکاسی یا پلاستیکهایی نظیر پلی اتیلن استفاده میشود که نسبت به آب مقاوم بوده و در نهایت محصول نهایی قابلیت اطمینان بالایی پیدا میکند. از این جوهرها میتوان در مواد آلی انعطاف پذیر استفاده کرد.
