چگونه گرافن می‌تواند به تولید حسگرهای گازی مینیاتوری کم‌هزینه کمک کند؟
حسگرهای گازی کم‌هزینه و مینیاتوری برای اینترنت اشیا
کنترل کیفیت هوا برای سلامت و رفاه مردم اهمیت بسیاری دارد. با گسترش شهرها و افزایش آلودگی هوا، حسگرهای گازی می‌توانند در محیط‌های مهم سلامت عمومی مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، حسگرهای گازی فعلی، بسیار حجیم و گران هستند. حسگرهای گازی کم‌هزینه و مینیاتوری به اندازه تراشه رایانه را می‌توان با استفاده از فناوری‌های جدید تولید مواد لایه‌ای ساخت.
این کار این حسگرها را قادر خواهد ساخت تا به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند و به اینترنت اشیا (IOT) متصل شوند و داده‌های دقیق و دانه‌ای از کیفیت هوا را به بخش‌های بهداشت عمومی، کارفرمایان و افراد ارائه دهند. پژوهش‌های کوئلمالز بر فناوری‌های جدید برای جایگزینی حسگرهای گازی موجود با حسگرهای کم هزینه و مینیاتوری با استفاده از فناوری‌های جدید تولید مواد لایه‌ای جدید و گرافن متمرکز شده است.
استفاده از گرافن برای کاربردهای سنجش گاز
پروژه دکترای تخصصی کوئلمالز در مؤسسه سلطنتی فناوری کی‌تی‌اچ بررسی راه‌هایی برای ادغام مواد لایه‌ای بسیار باریک مانند گرافن با فرایندهای موجود تولید نیمه‌رساناها است.
این پروژه همچنین براساس آخرین پیشرفت‌ها در فناوری‌های کنترل کیفیت هوا برای کاربردهای کوچک و مقرون‌به‌صرفه، مانند حسگرهای گازی مینیاتوری به اندازه تراشه، است. پژوهش‌های او در سال ۲۰۲۱ در Nature Communications منتشر شد. کوئلمالز توسط همکارانش در موسسه علوم نانو کاتالان و فناوری نانو در اسپانیا به شرکای صنعتی SenseAir AB در سوئد و AMO GmbH در آلمان ملحق شد.
این تیم با تکنیک‌ها، مواد و ابزارهایی کار می‌کند که پیش از این در صنعت نیمه‌رساناها ایجاد شده است. این امر تضمین می‌کند که راهکارهای آن را می‌توان به راحتی در فرایندهای تولید موجود ادغام کرد، که تولید حسگرهای گازی مینیاتوری با حداقل هزینه‌های تولید و مصرف برق را امکان‌پذیر می‌سازد.
چگونه از گرافن برای تولید حسگرهای گازی استفاده می‌شود؟
هنگام تولید با مواد لایه‌ای، انتقال مواد لایه‌ای از بستری که روی آن رشد کرده است یک مرحله مهم و دشوار در این فرایند است. این ممکن است باعث تغییر شکل در مواد لایه‌ای شود، که می‌تواند خواص الکتریکی مطلوب آن در مورد گرافن را کاهش دهد.
کوئلمالز و همکارانش از یک رزین دی‌الکتریک استاندارد برای به دست آوردن پشته‌های گرافن و دیگر مواد لایه‌ای استفاده کردند. این رزین مانند چسب عمل کرد و لایه‌های سیلیکون، گرافن و مس را در حسگر کنار هم نگه داشت.
این تیم پیش از آنکه فرآیند را تکرار کند برای اینکه لایه‌های بیشتری را روی آن قرار دهد، این پشته مواد را گرم کرد و آن را به هم فشرده ساخت.
این ماده رزین در دمای اتاق جامد است اما با گرم شدن چسبناک می‌شود. این بدان معناست که در هر بار تکرار مراحل لایه‌بندی و فشردن، رزین نرم می‌شود و به عنوان یک بالشتک عمل می‌کند. این به نوبه خود، باعث می‌شود پشته قبلی بدون انحراف یا ترک با شکل سطح مواد لایه‌ای بعدی، مطابقت داشته باشد.
اکنون که این تکنیک در محیط‌های آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفته است، این تیم بر روی راه‌هایی برای اجرای آن در تولید انبوه دستگاه‌های الکترونیکی کار می‌کند.
مزایای حسگرهای گازی مینیاتوری کم هزینه
از حسگرهای گازی ارزان و جمع و جور می‌توان در تلفن‌های هوشمند و ابزارهای پوشیدنی استفاده کرد تا به کاربران در مورد کیفیت پایین هوا و وجود گازهای مضر هشدار دهد. حسگرهایی که کوئلمالز و همکارانش در حال توسعه آن هستند می‌توانند در هر مکانی که نیاز به نظارت بر کیفیت هوا وجود دارد، استفاده شوند.
از آنجا که کیفیت هوا، خیابان به خیابان متفاوت است، سطح داده‌های دانه‌ای در لحظه که چنین استقرایی می‌تواند ارائه دهد به حفظ امنیت افراد از آلودگی هوا کمک می‌کند.
مراحل بعدی برای این تحقیق
کوئلمالز بر این باور است که این تحقیق می‌تواند در هر فرآیند تولید که مستلزم ادغام مواد لایه‌ای است، کاربردهایی پیدا کند. این یک فرآیند عمومی است که می‌تواند در فوتونیک، سنجش و محاسبه نورومورفیک استفاده شود.
از آنجا که این تیم از فرآیندها و مواد اولیه شناخته‌شده استفاده کرده‌است، این تکنیک می‌تواند به طور گسترده به کار گرفته شود. به منظور انتقال و یکپارچه‌سازی مواد لایه‌ای در حال حاضر پژوهشگران در حال کار بر روی راه‌هایی برای سوق دادن رویکرد جدید به فرآیندهای صنعتی هستند.
درباره نویسنده «بن پیلکینگتون»
بن پیلکینگتون نویسنده، ویراستار و نمونه‌خوان مستقل با مدرک کارشناسی‌ارشد در رشته ادبیات انگلیسی از دانشگاه آکسفورد است. او با استفاده از ارتباط نوشتاری متعهد به شفاف‌سازی است و از گفتن داستان‌های پیچیده و فنی به شیوه‌ای مناسب و قابل‌درک، لذت می‌برد.