دور غرافين في تعزيز وعي أجهزة الرصد البيئي

مقدمة إلى غرافين

(ج) إن غرافين هو عبارة عن نسيج ثنائي مكون من طبقة واحدة من الذرات مرتبة في سلة لبيوت العسل، حيث أن عزلته في عام 2004 من جانب أندريه غيم وكونستانتين نوفوسيلوف، فإن هذه المادة قد اجتذبت اهتماماً بحثياً شديداً بسبب خصائصها الاستثنائية، حيث توجد مساحة سطحية محددة نظرياً تبلغ 2630 متراً مربعاً/غرام، وهي ترتفع حركتها الكهربائية إلى 100 مرة.

إن الحاجة المتزايدة إلى نظم رصد بيئية في الوقت الحقيقي، منخفضة التكلفة، ومحمولة قد دفعت إلى استكشاف الأجهزة القائمة على الرسوم البيانية، وسواء كانت هذه المادة ترصد نوعية الهواء في المراكز الحضرية، وتتتبع التلوث بالمياه في المؤثرات الصناعية، أو تكشف الغازات السامة في البيئات الزراعية، فإنها توفر منصة متعددة، وتمتد هذه المادة إلى آليات تعزز بها الحساسية المستقبلية، وتستكشف مجالات التطبيقات الرئيسية.

لماذا (غرافين) يحسّن الإحساس بالحساسية

وتنشأ الحساسية الاستثنائية للمستشعرات البيئية القائمة على الرسوم البيانية من مزيج من الخصائص المادية والكيميائية التي تعمل بصورة متآزرة، ويساهم كل سمة في قدرة الجهاز على كشف الاضطرابات الدنيا في البيئة وتحويلها إلى إشارات كهربائية قابلة للقياس.

نسبة عالية جداً من السطح إلى المجلد

وكل ذرة في صحيفة " إشعاعية واحدة " هي ذرة سطحية، وهذه التشكيلة توفر عددا هائلا من المواقع النشطة للتفاعل التحليلي، وعندما تظهر الجزيئات الغازية أو أيون معدني ثقيل أو متجانسات عضوية متفجرة على الشكل، فإنها تؤدي إلى تغيير في كثافة حاملي الشحنات المحلية عن طريق التكسير أو نقل الشحنات، لأن جميع المواد تستجيب لظواهر التركيز الفوقية، تحدث تحولات كبيرة في هذا المجال.

السلوكيات الكهربائية الاستثنائية وقلة النواحي

ويقترب عدد حركتها الكهربائية من 000 150 سم2/V من حركتها في الغرفة، مما يكفل أن تترجم حتى التغييرات الصغيرة في تركيز الناقل إلى تغيرات قابلة للقياس في الوقت الحاضر أو في البرتاج، علاوة على أن ضوضاءها الإلكترونية المنخفضة (الضوضاء) مقارنة بالعديد من المواد شبه الموصلية، إلى تحسن في كثير من الأحيان نسبة التلوث من الإشارة إلى الأرقام، ويعني انخفاض الحد الأدنى من الضجيج أن جهاز الاستشعار يمكن أن يفرق من التقلبات الفرعية.

الصنع والخصوصية الكيميائية

وفي حين أن الباحثين يتأثرون بالتصوير الكيميائي للكثير من المواد الطاردة، فإنهم يفتقرون إلى الانتقائية، إذ يتغلبون على هذا التقييد من خلال الاستخدام المتزامن أو غير المتزامن لسطح الجاموس مع أجهزة مصدّقة أو جزيئات أو محفزة معينة، وعلى سبيل المثال، فإن التخصيب في تصميمات النانوبات المعدنية (مثلاً، نقاط التحلل الحراري) أو التي تعمل على تعزيز الكبريتيدات العضوية

السطو الميكانيكي والتقلب

وكثيرا ما تعمل أجهزة الاستشعار البيئية في ظروف قاسية - هدر شديد، أو حرارة شديدة، أو يقظة مادية - فالقوة الميكانيكية لغرفين )قوة الخيمة المتأصلة( ١٣٠ غيغا( والمرونة )يمكن أن تكون مصممة على نصف قطرات قليلة( تكفل أن يحتفظ جهاز الاستشعار بسلامة هيكلية وأدائه المتسق، وهذا القابلية للارتداد حيوي بالنسبة للأجهزة القابلة للانتشار الميداني التي يجب أن تعمل لفترات استبدالها.

Rapid Electron Transfer Kinetics

وفي تطبيقات الاستشعار الكهروكيميائي، يستخدم الرسم البياني كمواد كهربائية ذات معدلات نقل كهربائية سريعة عند الوصل البيني، وتيسر الكثافة العالية للدول الإلكترونية القريبة من نقطة الديراك النقل الإلكترونية المباشر بين الأنواع الكهرومغناطيسية والحمراء، وتعجل هذه الممتلكات بوقت الاستجابة للمستشعرات غير المتناظرة للكشف عن المعادن المفكة أو الملوثات العضوية في الماء، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى نتائج في ثوان بدلا من دقائق.

تطبيقات الرصد البيئي

وقد ثبتت أجهزة الاستشعار التي تستخدم الأجنة بالنسبة لمجموعة واسعة من الملوثات البيئية، من الغازات الجوية إلى الملوثات المنقولة بالمياه، وتفصل الفروع التالية التطبيقات المحددة التي توفر فيها حساسية الغرافيني مزايا تحولية.

Gas Sensing for Air Quality

ويثير التلوث الجوي قلقاً صحياً عالمياً، حيث تستلزم غازات مثل ثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2)، والأوزون (O3)، وثاني أكسيد الكربون (CO)، ومركبات عضوية متفجرة تتطلب رصداً مستمراً، كما أن أجهزة الكيمياء الكيماوية والأجهزة المستشعرة من نوع (FET) قد أظهرت حساسية استثنائية لهذه الغازات.

الكشف عن المعادن الثقيلة في المياه

كما أن المعادن الثقيلة مثل الرصاص (Pb2+) والزئبق (Hg2+) والكادميوم (Cd2+) والزرنيخ (As3+) سمية حتى على مستويات التتبع، وقد برزت العينات المحتوية على الصبغة الفلكية باستخدام الكهرومغناطيسية المضغوطة كأسلوب شديد الحساسية.

الملوثات العضوية ومبيدات الآفات

كما أن المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب والبقايا الصيدلانية في الماء والغذاء تشكل مخاطر بيئية كبيرة، ويمكن أن تكتشف هذه المبيدات بواسطة أكسيد مباشر أو بواسطة اعتراف انزيمي، مثلاً، جهاز استشعار بيولوجي يستخدم مادة الغرافيين ذات النطاق الضعيف للكشف عن المبيدات الحشرية المنخفضة المبيدات الحشرية.

رصد الهضم والدرجة

وتتفاوت القدرة على التصريف الكهربائي في غرافين بتواضع بسبب التكتل بين جزيئات المياه وسلوك البروتون في أكسيد الغرافيني، وتظهر أجهزة الاستشعار الرطوبة القائمة على أساس نظام الحكم أوقات الاستجابة القصوى (الثانية الواحدة) والحساسية العالية عبر نطاق واسع من الرطوبة النسبية (0 إلى 100 في المائة) وتُستغل هذه الممتلكات في محطات الرصد البيئي لتتبع التغيرات في درجة الحرارة الواحدة التي تؤثر على التشتتتتت في آن واحد.

الإشعاع وكشف الأشعة فوق البنفسجية

ويمكن أن تكون غرافين أيضاً كاشفاً حساساً للإشعاع فوق البنفسجي، وهو أمر هام للرصد البيئي لمستويات الأشعة فوق البنفسجية الشمسية ولكشف التسربات في مصادر الأشعة فوق البنفسجية الصناعية، والصور المولدة في التصوير فوق البنفسجية متناسبة مباشرة مع كثافة الجسم، مع أوقات الاستجابة في النطاق الثاني، ويمكن أن يؤدي التثبيت مع الكم من الشعارات إلى توسيع نطاق الكشف عن الآفاق.

المزايا على الاستشعار التقليدي

ومن المفيد، تقديرا لدور الرسم البياني، مقارنة أداءه مع أداء تكنولوجيات الرصد البيئي التقليدية.

تعزيز الوعي والحدود الدنيا

(ب) إن أجهزة الاستشعار التقليدية لغاز أكسيد المعادن (مثلاً، SnO2، ZnO) تكتشف عادة الغازات في نطاق اللغم وتحتاج إلى درجات حرارة عالية في التشغيل (200-500 درجة مئوية) لحفز ردود فعل الاستيعاب - التلقيم، وهذا التدفئة يؤدي إلى استهلاك من الطاقة العائمة، وحياة محدودة من البطاريات، وعلى النقيض من ذلك، تحقق أجهزة الكشف عن المواد السائل المحتوية على درجة حرارة في الغرفة، مما هو من حيث الجودة.

سرعة الاستجابة والتعافي

ونظراً إلى سرعة نقل حركية الشحنات وحواجز الانتشار الدنيا (سمك الطماطم الوحيدة) فإن عمليات الاستيعاب واليأس تحدث بسرعة، وتستغرق أوقات الاستجابة النموذجية لمستشعرات الغازات الغرافينية أقل من 10 ثوان، مع التعافي الكامل في درجة حرارة الغرفة في كثير من الأحيان في غضون دقائق، وهذا يتناقض مع أجهزة الاستشعار ذات أكسيد الكهرموز عند قياسه حيث قد يتطلب الاستعادة تسخين إلى مئات الدرجات في فترات ممتدة.

التصغير والتقليل من الطاقة

ويمكن اختلاق الغرافين في أجهزة مجهرية ونانووية باستخدام تقنيات قياسية للرسم الليثيوغرافي أو الطباعة، وتسمح مرونة المواد بالدمج في مضارب فرعية مرنة مثل PET أو البوليميد، مما يتيح للمراقبين البيئيين ذوي اللبس أو النوع الرقائقي، وتستهلك هذه الأجهزة الصغيرة ميكرويات للموجات الممو َّلة، مما يجعلها مثالية للأجهزة المستشعرية المتميزة التي يمكن نشرها في مناطق السائلة.

القابلية للتقسيم والتكلفة

وفي حين أن إنتاج الرسوم البيانية المبكر كان باهظ التكلفة، فإن أساليب مثل تركيب الخرافات الكيميائية على رغاوي النحاس وضخامة العجلات قد خفضت كثيراً التكاليف التي يمكن أن تُنتجها مادة " غريفين " بكميات كبيرة من خلال طريقة " هومر " ، كما أن إنتاجات التخفيض اللاحقة لها جودة معقولة بالنسبة للعديد من التطبيقات المتجددة.

القدرة على الاستشعار عن بعد

ويمكن تصميم غرافين في صفائف استشعار تستجيب لمختلف التحليلات في وقت واحد، ويمكن أن تشمل رقاقة واحدة قنوات متعددة للرسوم البيانية، تعمل كل منها بمستقبِلات مختلفة، لخلق أنف أو لسان إلكتروني، وتتيح هذه الصفائف الاعتراف بالنمط بالنسبة للمخاليط المعقدة، وتوفر صورة شاملة عن نوعية البيئة التي لا يمكن أن يكون بوسع جهاز الاستشعار منفرد المسافات، وكثيرا ما تتطلب النظم التقليدية أدوات منفصلة لكل ملوث.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من المزايا الملحوظة، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن تحقق أجهزة الاستشعار التي تعمل بالغرافيا انتشارا تجاريا واسع النطاق في مجال الرصد البيئي.

الانتقائية في البيئات الحقيقية

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعاني الغرافينيون، بل وبعض المتغيرات الوظيفية، من الحساسية الشاملة إلى الرطوبة، وتقلبات درجة الحرارة، والغازات المتقطعة (مثل ثاني أكسيد الكربون، وبخار المياه)، وعلى سبيل المثال، يمكن أيضاً أن يستجيب جهاز الاستشعار من نوع غرافي أو 2 لتغيرات الرطوبة الخليعة، مما يؤدي إلى حدوث إيجابيات زائفة.

طول الطراز وقابلية الدفء

ويمكن أن تخضع مواد التكوين، ولا سيما التكبير، للتبريد البطيء أو التكتل على مدى أسابيع أو أشهر من التعرض المستمر للهواء أو الماء، كما أن المجموعات الوظيفية للأكسجين في منطقة غو قد تتطور، مما يغير خط الأساس المستشعر، إذ أن القدرة على التلقيم مع طبقات الحماية (مثلاً، فإن البلورات البوليمر، أو تقنيات الاختراق قد تؤدي إلى تحسين العمر، ولكنها قد تؤدي أيضاً إلى الحد الأدنى من الحساسية).

إعادة الإنتاج في مجال التصنيع

ويتوقف أداء أجهزة الاستشعار بالغرافيا اعتماداً بالغاً على نوعية المواد وعدد الطبقات وكثافة العيوب ومستوى التكتل في المواد، ولا يزال التفاوت بين البطاطس يمثل تحدياً كبيراً بالنسبة للتوسع الصناعي، وكثيراً ما يكون للغرافيين المفروط بمقياس واسع النطاق، بينما يمكن أن يكون للغرافيين المحتوي على حبوب تؤثر على اتساق الأجهزة مع السمات القياسية.

التكامل مع نظم تكنولوجيا المعلومات والبيانات

ولكي تكون أجهزة الاستشعار بالغرافيا ذات طابع تحويلي حقيقي للرصد البيئي الواسع النطاق، يجب أن تدمج بلاسقة في شبكات الاستشعار اللاسلكية التي لها إدارة موثوقة للطاقة ونقل البيانات، كما أن انخفاض قدرة أجهزة الاستشعار بالغرافين هو أحد الأصول، ولكن التحديات تشمل تكييف الإشارات عند الشيكات (التعليم، وتحويل المواد المشابهة إلى أرقام) ومقاومة التدخل الكهرومغناطيسي.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ويتطور ميدان أجهزة الاستشعار البيئية الغرافينية بسرعة، حيث يمكن لعدة طرق واعدة أن تتغلب على القيود الحالية وأن تفتح تطبيقات جديدة.

المواد الهجينة والمركبة

ويعزز هذا النوع من المواد الكيميائية، ويعزز التفاعلات الملزمة للغاز المختلط (الغاز المحتوي على الغازات المحتوية على مواد) (البوليميرات البلاستيكية) أو البوليمرات البلاستيكية، أو البوليمرات الكانائية الأخرى، ويظهر مثلاً حساسية واختيارية مصممة على أساس الغاز المحتوي على مواد فقط.

تحليل التعلم وتحليل البيانات

ويولد الرصد البيئي الحديث كميات كبيرة من البيانات من صفائف الاستشعار، ويمكن أن تقوم الخوارزميات التعليمية الماكين، بما في ذلك الشبكات العصبية وآلات الدعم النواقل، بتجهيز أنماط الاستجابة المتعددة الأبعاد من صفائف أجهزة الاستشعار بالغرافيا لتحديد الملوثات المتعددة وتحديدها كميا في آن واحد، وهذا النهج يعوض بفعالية عن قابلية الحساسية عبر معالجة نمط الاستجابة الكامل كنموذج لمبيدات الآفات.

منابر مرنة وقابلة للزراعة

وتتيح مرونة الغرافيين تطوير مراقبين بيئيين قابلين للارتداء يدمجون في الملابس أو المعصمات أو التصفيقات، ويمكن لهذه الأجهزة أن توفر مستويات التعرض الشخصي لملوثات الهواء، وتمكين الأفراد من اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن مساراتهم أو أنشطتهم، وقد أظهرت نماذج البحوث أن أجهزة الاستشعار الغازية القائمة على الرسوم البيانية في المحطات الفرعية المرنة يمكن أن تتحمل دورات الإقراض المتكررة (الآلاف) دون حدوث تدهور كبير في سجلات الأداء.

أجهزة الاستشعار ذاتية الدفع

فجمع أجهزة الاستشعار بالغرافيين مع تكنولوجيات جمع الطاقة - مثل أجهزة الناجين الثلاثي أو أجهزة الفلاحة - يمكن أن يخلق وحدات رصد ذاتية الطاقة، كما أن سلوكية غرافين ومساحة سطحية عالية تجعلها كهروة ممتازة للغازات الصغيرة، كما أن جهازاً لأجهزة الاستشعار ذاتياً ذاتياً من نوعية الهواء يمكن أن يجني الطاقة من الرياح أو من مواقع الاحترار غير محددة.

المنصات المتعددة الوظائف

وقد تدمج الأجهزة المقبلة الاستشعار وتجهيز البيانات بل وحتى وظائف الإصلاح، مثلاً، مرشح للغرافيا يقوم في وقت واحد باكتشاف وإزالة المعادن الثقيلة من المياه عن طريق الامتصاص، ويمكن إعادة إنتاج نفس المادة بالكهرباء أو الكيميائي، مما ينشئ نظاماً قابلاً لإعادة الاستخدام، وهذه البرامج المتعددة الوظائف تتمشى مع التركيز المتزايد على الاستدامة والاقتصاد الدائري في التكنولوجيا البيئية.

خاتمة

وقد عزز غرافين بشكل أساسي حساسية أجهزة الرصد البيئي وأدائها، حيث أن مساحتها غير المتناظرة، وممتلكاتها الكهربائية، وقوتها الميكانيكية، تتيح الكشف عن الملوثات على مستويات مؤثرة لم يكن في السابق الوصول إليها مع أجهزة الاستشعار التقليدية، ومن خلال رصد نوعية الهواء في الوقت الحقيقي مع انخفاض تسارع القوى العاملة في أجهزة التحلل إلى عوامل تحلل المعادن الثقيلة في المياه، فإن أجهزة الاستشعار القائمة على الرسوم البيانية توفر حساسية أعلى، وأكثر سرعة،