نانو ساختارها - جلسه پنجم
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش های پیش بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : جمعه 1396/10/29 ساعت 11:09
عنوان:
نانو حسگرها
اهداف جلسه:
· آشنایی با نانو حسگرها
· آشنایی با حسگرهای شیمیایی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· سیلیکای دود کننده آمیندار شده
· محلول کاتیونی
· طیف سنج فلورسانس
مقدمه:
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.
اندازه گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرها از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می کنند که حساسیت این نوع از نانو مواد به حد کافی بالا می باشند. هم چنین موادی که در نانو حسگرها ساخته می-شوند بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند. با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیت های بیشتر احساس شد. حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی داشته اند. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها می باشد. علاوه بر نانولوله های از نانو ذرات فلزی و نانوذرات مغناطیستی نیز استفاده می شود. تحقیقات نشان می‌دهد که نانو لوله‌ها به نوع گازی که جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانو لوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانو لوله‌های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانو لوله‌های کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کند. هم چنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، نانو لوله‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.
روش های تهیه نانوحسگر
در حال حاضر چند راه برای تولید نانوحسگرها وجود دارد. از این دست لیتوگرافی به عنوان شیوه ای بالا به پایین در اکثر مدارهای مجتمع به‌کار می‌رود. این روش شامل شروع از یک بلوک بزرگتر از برخی مواد و کنده کاری کردن و ایجاد فرم مورد نظر است.
راه دیگر برای تولید نانوحسگر روش‌های از پایین به بالاست که شامل سامان یافتن حسگر از اجزای کوچک تر، به احتمال زیاد اتم ها و مولکول ها است. این امر شامل حرکت اتم های یک ماده خاص به موقعیت خاص است که توسط بررسی های آزمایشگاهی بااستفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ اتمی بدست می آید.
راه سوم شامل استفاده از نانوساختارهای خاص است که بتوان به عنوان حسگر استفاده کرد. یکی از مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها خواهند بود. با نانو لوله‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتری بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.
جهت ساخت حسگر گاز با پایه نانو لوله کربنی می توان نانو لوله ها را روی زیر پایه رشد داد یا با استفاده از نانو لوله های آماده و بکار گیری روش هایی مانند اعمال جریان الکتریکی آن ها را روی زیر پایه قرار داد. در سال 2002، ویکتور وهمکارانش سه نوع الکترود میکرونی با شکل های مختلف، توسط فرآیندهای متفاوت روی زیر پایه شیشه ای ساختند و با اعمال جریان سعی کردند نانو لوله های کربنی را بین الکترودها بنشانند. از آن جا که چسبندگی طلا به شیشه کم است از نیکل برای زیرطلا استفاده شد. مقدار 10 میلی گرم نانو لوله های کربن چند دیواره در 500 میلی لیتر اتانول پخش شده و10میکرولیتر با روش تعلیق به روی شیشه منتقل می گردد. در اثر اعمال جریان Ac با فرکانس 1 مگاهرتز، اتانول در 20 ثانیه تبخیر می شود.
قرار گرفتن نانو لوله های کربنی چند جداره بین الکترودهای طلا تشکیل اتصال به فاصله ی بین دو الکترود بستگی دارد. طبق مشاهدات، در فاصله بیشتر از 25میکرومتر با فرکانس بین 100 هرتز تا 1 مگاهرتز هیچ اتصالی تشکیل نمی شود. برای فاصله ی بین 10 تا 15 میکرومتر، اتصال نانو لوله های کربن چند دیواره در همین محدوده فرکانس ایجاد شده است. مقاومت های حاصل نیز 158، 60 و 78 کیلواهم می باشند. شکل الکترودها نیز در تشکیل اتصال مؤثر است. حالت مربعی ایده آل است زیرا فاصله ی بین الکترودها در سرتاسر آن ثابت بوده و میدان الکتریکی یکنواختی اعمال می شود.
روش کار
1. سوسپانسیون 2/0 گرم سیلیکای دود کننده آمیندار شده تهیه شود.
2. 3 لیتر از سوسپانسیون برای سنجش توانایی شناسایی سیلیکای دود کننده آمین دار شده با مشاهده تغییرات نشر فلوئورسانس با افزایش کاتیون های مختلف (01/0 مولار، 100 میکرولیتر) از جملهCr3+, Hg2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Ni2+, Mn2+ Mg2+, Co2+, Na+ و K+ به سوسپانسون آبی و تهییج در 300 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته گیرد.
3. طیف فلوئورسانس بعد از 3 دقیقه ثبت شود.
طیف های فلوئورسانسی سیلیکای دود کننده آمین دار پخش شده در آب (g. L- 1 2/0) در حضور کاتیون های فلزی مختلف
(µL 100 , M 2- 10 × 1)، nm 300 = .
سوالات
1. سیلیکای دود کننده آمین دار حسگر کدام فلز است؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی
نانو حسگرها
اهداف جلسه:
· آشنایی با نانو حسگرها
· آشنایی با حسگرهای شیمیایی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· سیلیکای دود کننده آمیندار شده
· محلول کاتیونی
· طیف سنج فلورسانس
مقدمه:
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.
اندازه گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرها از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می کنند که حساسیت این نوع از نانو مواد به حد کافی بالا می باشند. هم چنین موادی که در نانو حسگرها ساخته می-شوند بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند. با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیت های بیشتر احساس شد. حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی داشته اند. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها می باشد. علاوه بر نانولوله های از نانو ذرات فلزی و نانوذرات مغناطیستی نیز استفاده می شود. تحقیقات نشان می‌دهد که نانو لوله‌ها به نوع گازی که جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانو لوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانو لوله‌های کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانو لوله‌های کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کند. هم چنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، نانو لوله‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.
روش های تهیه نانوحسگر
در حال حاضر چند راه برای تولید نانوحسگرها وجود دارد. از این دست لیتوگرافی به عنوان شیوه ای بالا به پایین در اکثر مدارهای مجتمع به‌کار می‌رود. این روش شامل شروع از یک بلوک بزرگتر از برخی مواد و کنده کاری کردن و ایجاد فرم مورد نظر است.
راه دیگر برای تولید نانوحسگر روش‌های از پایین به بالاست که شامل سامان یافتن حسگر از اجزای کوچک تر، به احتمال زیاد اتم ها و مولکول ها است. این امر شامل حرکت اتم های یک ماده خاص به موقعیت خاص است که توسط بررسی های آزمایشگاهی بااستفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ اتمی بدست می آید.
راه سوم شامل استفاده از نانوساختارهای خاص است که بتوان به عنوان حسگر استفاده کرد. یکی از مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها، نانو لوله‌ها خواهند بود. با نانو لوله‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتری بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.
جهت ساخت حسگر گاز با پایه نانو لوله کربنی می توان نانو لوله ها را روی زیر پایه رشد داد یا با استفاده از نانو لوله های آماده و بکار گیری روش هایی مانند اعمال جریان الکتریکی آن ها را روی زیر پایه قرار داد. در سال 2002، ویکتور وهمکارانش سه نوع الکترود میکرونی با شکل های مختلف، توسط فرآیندهای متفاوت روی زیر پایه شیشه ای ساختند و با اعمال جریان سعی کردند نانو لوله های کربنی را بین الکترودها بنشانند. از آن جا که چسبندگی طلا به شیشه کم است از نیکل برای زیرطلا استفاده شد. مقدار 10 میلی گرم نانو لوله های کربن چند دیواره در 500 میلی لیتر اتانول پخش شده و10میکرولیتر با روش تعلیق به روی شیشه منتقل می گردد. در اثر اعمال جریان Ac با فرکانس 1 مگاهرتز، اتانول در 20 ثانیه تبخیر می شود.
قرار گرفتن نانو لوله های کربنی چند جداره بین الکترودهای طلا تشکیل اتصال به فاصله ی بین دو الکترود بستگی دارد. طبق مشاهدات، در فاصله بیشتر از 25میکرومتر با فرکانس بین 100 هرتز تا 1 مگاهرتز هیچ اتصالی تشکیل نمی شود. برای فاصله ی بین 10 تا 15 میکرومتر، اتصال نانو لوله های کربن چند دیواره در همین محدوده فرکانس ایجاد شده است. مقاومت های حاصل نیز 158، 60 و 78 کیلواهم می باشند. شکل الکترودها نیز در تشکیل اتصال مؤثر است. حالت مربعی ایده آل است زیرا فاصله ی بین الکترودها در سرتاسر آن ثابت بوده و میدان الکتریکی یکنواختی اعمال می شود.
روش کار
1. سوسپانسیون 2/0 گرم سیلیکای دود کننده آمیندار شده تهیه شود.
2. 3 لیتر از سوسپانسیون برای سنجش توانایی شناسایی سیلیکای دود کننده آمین دار شده با مشاهده تغییرات نشر فلوئورسانس با افزایش کاتیون های مختلف (01/0 مولار، 100 میکرولیتر) از جملهCr3+, Hg2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Ni2+, Mn2+ Mg2+, Co2+, Na+ و K+ به سوسپانسون آبی و تهییج در 300 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته گیرد.
3. طیف فلوئورسانس بعد از 3 دقیقه ثبت شود.
(µL 100 , M 2- 10 × 1)، nm 300 = .
سوالات
1. سیلیکای دود کننده آمین دار حسگر کدام فلز است؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی
