کاربرد گرافن در سنسورها - ایران گرافن

در این بخش به کاربرد گرافن در سنسورها خواهیم پرداخت:

سنسور چیست؟

سنسور وسیله ای است که رویدادهایی را که در محیط فیزیکی رخ می دهد (مانند نور، گرما، حرکت، رطوبت، فشار و غیره) تشخیص می دهد و با یک خروجی، معمولاً یک سیگنال الکتریکی، مکانیکی یا نوری پاسخ می دهد. دماسنج جیوه ای خانگی یک نمونه ساده از یک حسگر است – دما را تشخیص می دهد و با انبساط قابل اندازه گیری مایع واکنش نشان می دهد.

حسگرها در همه جا وجود دارند – آنها را می توان در کاربردهای روزمره مانند دکمه های آسانسور حساس به لمس و سطوح کم نور لامپ که به لمس پاسخ می دهند پیدا کرد، اما انواع مختلفی از حسگرها نیز وجود دارند که مورد توجه اکثریت قرار نمی گیرند – مانند سنسورهایی که در پزشکی، رباتیک هوافضا و بیشتر استفاده می شوند.

انواع سنتی سنسورها عبارتند از دما، فشار (ترمیستور، ترموکوپل و غیره)، رطوبت، جریان (الکترومغناطیسی، جابجایی موقعیتی و غیره)، حرکت و مجاورت (خازنی، فوتوالکتریک، اولتراسونیک و غیره)، اگرچه نسخه‌های بی‌شماری دیگر نیز وجود دارد. سنسورها به دو گروه سنسورهای فعال و غیرفعال تقسیم می شوند. حسگرهای فعال (مانند سلول های رسانای نوری یا حسگرهای تشخیص نور) به منبع تغذیه نیاز دارند در حالی که حسگرهای غیرفعال (رادیومترها، عکاسی فیلم) نیازی به منبع تغذیه ندارند.

افزودن گرافن در سنسورها نسل جدیدی از سنسورها را ارائه می دهد.

انواع سنسورها

حسگرها در کاربردهای متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرند و تقریباً می‌توان آن‌ها را در گروه‌هایی با اشکال استفاده مرتب کرد:

شتاب‌سنج‌ها: حسگرهای مبتنی بر فناوری میکرو الکترومکانیک، که عمدتاً در دستگاه‌های تلفن همراه، پزشکی برای نظارت بر بیمار (مانند ضربان‌ساز) و سیستم‌های خودرو استفاده می‌شوند.

حسگرهای زیستی: حسگرهای مبتنی بر فناوری الکتروشیمیایی، مورد استفاده برای آزمایش آب و غذا، دستگاه‌های پزشکی، ردیاب تناسب اندام و مچ‌بند (که برای مثال سطح اکسیژن خون و ضربان قلب را اندازه‌گیری می‌کنند) و کاربردهای نظامی (جنگ بیولوژیکی و موارد دیگر).

حسگرهای تصویر: سنسورهای مبتنی بر CMOS ) نیمه هادی اکسید فلزی مکمل) که در لوازم الکترونیکی مصرفی، بیومتریک، نظارت بر ترافیک و امنیت و تصویربرداری رایانه شخصی استفاده می شود.

آشکارسازهای حرکت: حسگرهایی که می توانند از فناوری مادون قرمز، اولتراسونیک یا مایکروویو/رادار استفاده کنند. آنها در بازی های ویدیویی، تشخیص امنیتی و فعال سازی نور استفاده می شوند.

گرافن و حسگرها

گرافن و حسگرها ترکیبی طبیعی هستند، زیرا نسبت سطح به حجم زیاد گرافن، خواص نوری منحصر به فرد، هدایت الکتریکی عالی، تحرک و چگالی حامل بالا، رسانایی حرارتی بالا و بسیاری از ویژگی‌های دیگر می‌توانند برای عملکرد حسگر بسیار مفید باشند. سطح بزرگ گرافن می تواند بارگذاری سطحی بیومولکول های مورد نظر را افزایش دهد و رسانایی عالی و شکاف نواری کوچک می تواند برای هدایت الکترون ها بین زیست مولکول ها و سطح الکترود مفید باشد.

تصور می شود که گرافن به ویژه در حسگرهای زیستی و تشخیصی رایج شده است. سطح بزرگ گرافن می تواند بارگذاری سطحی مولکول های زیستی مورد نظر را افزایش دهد و رسانایی عالی و شکاف نواری کوچک می تواند برای هدایت الکترون ها بین زیست مولکول ها و سطح الکترود مفید باشد. از جمله حسگرهای زیستی می‌توان برای تشخیص طیفی از آنالیت‌ها مانند گلوکز، گلوتامات، کلسترول، هموگلوبین و غیره استفاده کرد. گرافن همچنین پتانسیل قابل توجهی برای ایجاد حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی بر اساس انتقال مستقیم الکترون بین آنزیم و سطح الکترود دارد.

گرافن حسگرهایی را فعال می‌کند که کوچک‌تر و سبک‌تر هستند – امکانات طراحی بی‌پایانی را ارائه می‌کنند. آنها همچنین حساس تر بوده و قادر به تشخیص تغییرات کوچکتر در ماده هستند، سریعتر کار می کنند و در نهایت حتی ارزان تر از سنسورهای سنتی خواهند بود. برخی از طرح‌های حسگر مبتنی بر گرافن حاوی یک ترانزیستور اثر میدانی (FET)  با کانال گرافن هستند. با تشخیص اتصال آنالیت مورد نظر، جریان عبوری از ترانزیستور تغییر می کند که سیگنالی را ارسال می کند که می تواند برای تعیین چندین متغیر تجزیه و تحلیل شود.

ابزارهای نانوالکترونیکی مبتنی بر گرافن نیز برای استفاده در حسگرهای (DNA) برای تشخیص نوکلئوبازها و نوکلئوتیدها)، حسگرهای گاز (برای تشخیص گازهای مختلف)، حسگرهای PH، سنسورهای آلودگی محیطی، سنسورهای کشش و فشار و غیره مورد تحقیق قرار گرفته‌اند.

کاربرد گرافن در سنسورهای بیولوژیکی

حسگر زیستی ابزاری است که به مواد بیولوژیکی حساس است و غلظت آنها را برای تشخیص به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. بیوسنسورها پشتیبانی فنی بی‌سابقه‌ای را برای تشخیص برخی از اجزاء در پزشکی مدرن و تشخیص زودهنگام بیماری‌ها ارائه می‌کنند. مواد گرافن معمولاً به دلیل ظرفیت جذب قوی و رسانایی عالی، می‌توانند حساسیت بالاتری ارائه دهند و زمان واکنش را برای فناوری‌های تشخیص بیولوژیکی موجود کاهش دهند.

در چند سال گذشته، تعداد زیادی از نانومواد به عنوان گونه های تقویت کننده سیگنال استفاده شده است. نقاط کوانتومی گرافن (GQD) به دلیل زیست سازگاری خوب، توانایی کاتالیزوری و توانایی تشخیص چندین مولکول زیستی به طور همزمان توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. ویژگی‌های مورفولوژیکی GQD شبیه به نقاط کربن و گرافن است، اما در کنار آن صفحات منفرد یا چندگانه‌ای وجود دارد که کروی یا دایره ای به نظر می‌رسند و می‌توانند تعداد زیادی موقعیت برای مولکول‌های زیستی فراهم کنند.

کاربرد گرافن در سنسورهای فیزیکی

یک نوع مهم از سنسورهای فیزیکی، سنسور فشار است. ماده گرافن کاربردهای مهمی در سنسورهای فشار دارد و با توسعه هوش، سنسورهای فشار انعطاف پذیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. به عنوان یک نوع جدید از محصولات الکترونیکی، سنسور فشار انعطاف پذیر چشم انداز کاربردی بهتری در زمینه های زیست پزشکی، لمس ربات، و تعامل انسان و کامپیوتر نسبت به سنسورهای سخت معمولی دارد.

سنسور فشار انعطاف پذیر روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می کند. این روش اصلی ورودی و کنترل محصولات الکترونیکی مدرن است. در عین حال، می توان یک حسگر لمسی منطقه بزرگ را روی پوست ربات اعمال کرد. این ماده کامپوزیتی می تواند لمس را در محدوده 0.02 تا 10 نیوتن حس کند که به دسته ادراک لمسی انسان تعلق دارد. علاوه بر این، در دهه گذشته، تقاضا برای سنسورهای پوشیدنی انعطاف پذیر افزایش یافته است.

با توجه به پراکندگی، نسبت حجم سطح ویژه بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی عالی نانومواد یک بعدی و دو بعدی، می توان از آنها برای توسعه سیستم های حسگر لمسی با حساسیت بالا و مقیاس پذیر استفاده کرد. مهمتر از آن، در مقایسه با فیلم های سنتی، ترکیب نانوساختارهای معدنی با مواد انعطاف پذیر آسان تر است. نانومواد، نانوالیاف کربن، کربن سیاه و گرافن اغلب با الاستومرهایی مانند پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) ، اکو فلکس و لاستیک ترکیب می شوند تا حسگرهای کامپوزیت پلیمری بسازند.

کاربرد گرافن در سنسورهای شیمیایی

گرافن اصلی از نظر شیمیایی بی اثر است و به راحتی با سایر مواد واکنش نمی دهد. با این حال، پلیمرهای پایدار را می توان با شکستن پیوندهای کووالانسی و ترکیب آنها با ترکیبات آلی تشکیل داد. این پلیمرهای دوپ شده با گرافن رسانایی و خواص نوری خوبی دارند و حسگرهای شیمیایی مبتنی بر گرافن نسبت به سنسورهای گاز و یون سنتی تشخیص و هدایت بهتری دارند.

با وجود اینکه مزایای بسیاری که برای حسگرهای گرافنی گفته شد؛ بیشتر حسگرهای مبتنی بر گرافن هنوز در مرحله آزمایش هستند و تجاری نشده اند. دلیل اصلی این است که تهیه فیلم گرافن نمی تواند به تولید در مقیاس بزرگ و با کیفیت بالا دست یابد. در حال حاضر محققان در حال بهینه کردن روش های موجود برای تولید گرافن با کیفیت بالا و در مقیاس بزرگ هستند. مشخص است که ورود گرافن به صنعت سنسورها پیشرفت چشمگیری را به همراه خواهد داشت.

منبع:

https://analyticalsciencejournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/elan.201400409

https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1049/iet-cds.2015.0259