دستيابي به حسگرهاي انتخاب ‌پذير بر پايه‌ گرافن

به گزارش گروه علمي ايرنا، اين روش جديد ارايه شده طراحي حسگرهاي گازهاي سمي و آلاينده‌هاي محيط زيست با بازده بالا كاربرد دارد.

گازهاي سمي از دسته‌ اكسيد نيتروژن (NOx) به ‌عنوان يكي از خطرناك‌ترين عوامل آلودگي هوا به ‌شمار مي‌روند. اين تركيبات تشكيل ‌دهنده اصلي ازون و باران‌هاي اسيدي هستند. امروزه استفاده از نانوساختارها براي ‌شناسايي آلاينده‌هاي زيست‌ محيطي، روشي جديد و با بازده بالا به ‌شمار مي‌رود. با توجه به نوظهور بودن گرافن، استفاده از اين نانوساختار در كاربردهاي مربوط به ‌شناسايي آلاينده‌ها، موضوعي بسيار جديد و جالب براي گروه‌هاي تحقيقاتي مختلف به شمار مي رود.

در اين بين استفاده از نانوورقه گرافن، (Graphene Nanoflake (GNF)) براي ‌شناسايي گازهاي آلاينده نسبت به گرافن و نانوريبون‌هاي گرافني كمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.

در اين تحقيق با استفاده از محاسبات مكانيك كوانتمي، نقش نوعي از نانوساختار بر پايه گرافن (GNF) به‌ عنوان حسگر براي ‌شناسايي دسته‌اي از گازهاي آلاينده (اكسيد نيتروژن) در حضور گازهاي غيرسمي مورد بررسي قرار گرفته است.

نتايج نشان مي‌دهد كه از ميان GNF خالص، جانشين شده شيميايي و عامل‌دار شده، ساختارهاي عامل‌دار شده به‌ ويژه به ‌وسيله گروه كربوكسيل سبب بيشترين افزايش در حساسيت و واكنش پذيري GNF نسبت به گاز اكسيد نيتروژن مي‌شود.

در واقع GNF عامل‌دار شده با گروه كربوكسيل، ابزاري مناسب به‌ عنوان حسگر براي ‌شناسايي انتخاب‌پذير گاز اكسيد نيتروژن در حضور منوكسيد كربن، اكسيژن و نيتروژن است.

اكبر اميدوار دانشجوي مقطع دكتراي رشته شيمي فيزيك دانشگاه شيراز در مورد اين تحقيقات گفت: اساس كار حسگرهاي مبتني بر نانوساختارها، تغييرات گاف انرژي (band gap) پس از برهمكنش با گاز است. پس از جذب گاز بر روي نانوساختارها، با توجه به ميزان انتقال بار و همچنين قدرت برهمكنش بين آنها، خواص الكتروني نانوساختار دستخوش تغيير مي شود و درنتيجه گاف انرژي آن تغيير مي‌كند.

وي افزود: با قرار دادن نانوساختار مورد نظر در يك مدار الكتريكي، به محض جذب گاز بر روي آن، تغيير گاف انرژي سبب توليد سيگنال الكتريكي مي‌شود كه از طريق آن مي‌توان به حضور گاز پي برد. بنابراين براي چنين مطالعاتي، محاسبه گاف انرژي اهميت فراوان دارد.

اميدوار ادامه داد: بر همين اساس خواصي همچون انرژي بالاترين اوربيتال مولكولي اشغال شده (HOMO) ، انرژي پايين‌ترين اوربيتال مولكولي اشغال نشده (LUMO) و اختلاف بين انرژي آنها و همچنين انرژي جذب گاز بر روي GNF مورد محاسبه قرار گرفته است.

وي گفت: در اين تحقيق در ابتدا ساختار GNF خالص با استفاده از مدل‌سازي رايانه‌اي طراحي و با استفاده از محاسبات مكانيك كوانتمي از نظر انرژي بهينه ‌سازي شد. سپس اثر جانشيني شيميايي به ‌وسيله‌ عناصر بور و نيتروژن بر روي GNF با هدف بهبود خاصيت حسگري آن مورد بررسي قرار گرفت.

اميدوار اظهار كرد: در مرحله بعد عامل دار كردن GNF به ‌وسيله گروه‌هاي عاملي الكترون كشنده مورد بررسي قرار گرفت. سپس جذب گازهاي مورد مطالعه بر روي هريك از ساختارهاي طراحي شده انجام گرفت.

وي با اشاره به نتايج به‌ دست آمده از اين تحقيقات گفت: بر طبق نتايج به‌دست آمده اگرچه GNF خالص نسبت به گاز اكسيد نيتروژن واكنش‌پذير است، اما مي‌توان اين واكنش‌پذيري را با عامل‌دار كردن آن بهبود بخشيد.

اميدوار افزود: نتايج اين تحقيق نشان مي‌دهد GNF خالص پس از جذب گاز اكسيد نيتروژن دستخوش تغيير قابل ملاحضه‌اي در مقدار گاف انرژي مي‌شود. اين در حالي است كه جذب گازهاي اكسيژن، نيتروژن و مونوكسيد كربن چنين تاثيري بر روي GNF خالص ندارند. همچنين مطالعات نشان داده است كه GNFهاي جانشين شده با بور و نيتروژن در مقايسه با GNF خالص حساسيت و واكنش پذيري كمي را در برابر گازهاي مورد مطالعه نشان مي‌دهند.

وي ادامه داد: نتايج مربوط به GNFهاي عامل دار شده به‌وسيله‌ گروه‌هاي عاملي الكترون كشنده نشان مي‌دهند كه عامل دار كردن GNF موجب افزايس حساسيت آن در مقابل گاز اكسيد نيتروژن شده و در كنار حساسيت و عملكرد انتخابي بالا، داراي انرژي‌هاي جذب قابل توجهي هستند كه نشان دهنده برهمكنش قوي بين گاز اكسيد نيتروژن و GNFهاي عامل دار شده هستند.

اميدوار اظهار كرد: در ميان گروه‌هاي عاملي، گروه كربوكسيل بيشترين سهم را در افزايش عملكرد انتخابي، حساسيت و واكنش پذيري GNF در مقابل گاز اكسيد نيتروژن دارد.

در اين تحقيق كه در راستاي رساله دكتري آقاي اميدوار صورت گرفته است، اثر گروه‌هاي عاملي الكترون كشنده در عامل‌دار كردن GNF براي بهبود خاصيت حسگري در برابر گازهاي آلاينده مطالعه شده و به گفته‌ اميدوار در ادامه پروژه، اثر گروهاي عاملي الكترون دهنده نيز مورد مطالعه قرار گرفته است كه در آينده‌اي نزديك نتايج مربوط به آن منتشر مي شود.

نتايج اين تحقيقات كه با تلاش اكبر اميدوار و دكتر افشان مهاجري عضو هيات علمي دانشگاه شيراز صورت گرفته در نشريه‌ Sensors and Actuators B: Chemical منتشر شده است.

علمي1834**1599