ماسک هوشمند گرافنی می‌تواند گازهای خطرناک را لحظه‌ای شناسایی کند

به گزارش ستاد نانو، در سال‌های اخیر حسگرهای پوشیدنی به یکی از حوزه‌های مهم فناوری تبدیل شده‌اند. بخشی از این حسگرها برای پایش وضعیت بدن طراحی می‌شوند و گروه دیگری وظیفه بررسی محیط اطراف فرد، به‌ویژه هوایی را دارند که تنفس می‌کند.

این حسگرها می‌توانند روی پوست، لباس یا ماسک قرار گیرند و وجود گازهای خطرناک را پیش از رسیدن غلظت آنها به سطوح نگران‌کننده شناسایی کنند. این قابلیت به‌ویژه در محیط‌های صنعتی که کارکنان ممکن است در معرض گازهای سمی یا آلاینده قرار گیرند، اهمیت دارد.

با این حال، ساخت حسگری که بتواند برای مدت طولانی روی ماسک یا سایر تجهیزات پوشیدنی قرار گیرد، با چالش‌هایی همراه است. چنین حسگری باید سبک، انعطاف‌پذیر و مقاوم باشد و در عین حال مانع عبور هوا و رطوبت نشود.

رشد نانودیواره‌های گرافنی روی الیاف پلیمری

گروهی به سرپرستی سونگ‌وون لی، استاد گروه فیزیک و شیمی مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ‌بوک، برای حل این مشکل به ترکیبی از نانوالیاف پلیمری و گرافن روی آورده‌اند.

نتیجه این پژوهش، ساخت یک شبکه نانویی سه‌بعدی است که در آن دیواره‌های نانویی گرافن مستقیماً روی سطح الیاف پلیمری رشد داده شده‌اند. نانوالیاف پلیمری به دلیل وزن کم، انعطاف‌پذیری و قابلیت مناسب عبور هوا، گزینه‌ای مطلوب برای ساخت حسگرهای پوشیدنی به‌شمار می‌روند؛ اما سطح مؤثر آنها برای برهم‌کنش با مولکول‌های گاز محدود است.

از سوی دیگر، تولید مستقیم مواد کربنی عملکردی مانند گرافن معمولاً به دمای بالا نیاز دارد و این موضوع می‌تواند به ساختارهای پلیمری آسیب برساند. پژوهشگران برای عبور از این محدودیت، از روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسمای کم‌دما یا CVD پلاسمایی استفاده کردند.

این روش امکان تشکیل دیواره‌های نانویی گرافن روی سطح الیاف پلیمری مقاوم به حرارت را فراهم کرد، بدون آنکه شکل و ساختار اولیه الیاف از بین برود.

ساختار «نانو روی نانو» چگونه حساسیت حسگر را افزایش می‌دهد؟

دیواره‌های گرافنی به‌صورت عمودی روی سطح الیاف قرار می‌گیرند و ساختاری متراکم اما همچنان متخلخل ایجاد می‌کنند. این معماری، سطح در دسترس برای تماس با مولکول‌های گاز را افزایش می‌دهد و در عین حال به شبکه پلیمری اجازه می‌دهد انعطاف‌پذیری و قابلیت عبور هوا را حفظ کند.

نوآوری این فناوری تنها به افزایش سطح حسگر محدود نمی‌شود. پژوهشگران دریافتند 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 مدت بیشتری در این فضاها باقی بمانند.

در نتیجه، احتمال برخورد مولکول‌های گاز با سطح گرافن افزایش پیدا می‌کند و فرصت بیشتری برای برهم‌کنش میان ماده حسگر و گاز فراهم می‌شود. شبیه‌سازی‌های انتقال گاز و آزمایش‌های انجام‌شده توسط تیم پژوهشی نیز نشان دادند معماری سلسله‌مراتبی دیواره‌های گرافنی می‌تواند مسیر حرکت مولکول‌ها و تعداد برخوردهای آنها با سطح فعال را افزایش دهد.

بنابراین، عملکرد بهتر این حسگر تنها ناشی از داشتن سطح فعال بیشتر نیست؛ بلکه معماری نانویی آن باعث می‌شود مولکول‌های گاز مدت بیشتری در نزدیکی سطح فعال باقی بمانند.

آزمایش حسگر برای شناسایی دی‌اکسید نیتروژن

پژوهشگران عملکرد ساختار توسعه‌یافته را برای شناسایی 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 شبکه نانویی گرافنی می‌تواند عملکرد حسگری را بهبود دهد و امکان شناسایی این گاز را فراهم کند.

یکی از مراحل مهم پژوهش، آزمایش فناوری خارج از محیط آزمایشگاه بود. تیم تحقیقاتی حسگر توسعه‌یافته را روی یک ماسک هوشمند نصب کرد و نشان داد این سامانه می‌تواند برای پایش طولانی‌مدت گازها مورد استفاده قرار گیرد، بدون آنکه انعطاف‌پذیری و قابلیت تنفس‌پذیری ماسک به شکل قابل‌توجهی کاهش یابد.

کاربردهای احتمالی ماسک هوشمند گرافنی

به گفته 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؛ رویکردی که در آن علاوه بر سطح فعال، حرکت مولکول‌های گاز درون ساختار نانویی نیز مهندسی می‌شود.

پژوهشگران معتقدند این فناوری می‌تواند در آینده برای توسعه طیف گسترده‌ای از تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی انعطاف‌پذیر و قابل‌تنفس مورد استفاده قرار گیرد. پایش کیفیت هوا، بررسی محیط‌های کاری و استفاده در صنایع شیمیایی و تولیدی از جمله کاربردهای احتمالی این فناوری هستند.

ترکیب وزن کم، انعطاف‌پذیری، قابلیت عبور هوا و امکان پایش لحظه‌ای گازها می‌تواند حسگرهای مبتنی بر این معماری را به گزینه‌ای برای نسل آینده تجهیزات ایمنی شخصی تبدیل کند.

این مطالعه با همکاری پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ‌بوک و محققانی از دانشگاه ملی چونگ‌نام، دانشگاه ملی هان‌بات، دانشگاه ملی کیونگ‌بوک، مؤسسه پژوهشی الکترونیک و فناوری اطلاعات گومی و مؤسسه فناوری صنعتی کره انجام شده است. نتایج این پژوهش در اوت ۲۰۲۶ در مجله Advanced Fiber Materials منتشر شده است.