Table of Contents
مقدمة إلى غرافين ورصد المياه
إن نوعية المياه هي أحد أكثر الشواغل البيئية إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، إذ أن الملوثات، من الجرعة الصناعية إلى المبيدات الزراعية، تهدد النظم الإيكولوجية وصحة الإنسان على حد سواء، إذ أن أجهزة الاستشعار التقليدية للمياه - التي غالبا ما تكون قائمة على المبادئ الكهروكيميائية أو البصرية - قد استخدمت منذ فترة طويلة للكشف، ولكنها تعاني من عيوب مثل عدم كفاية الحساسية، وبطء أوقات الاستجابة، وارتفاع تكاليف الإنتاج.
إن ممتلكات غرافين ليست مجرد تحسينات تدريجية؛ بل هي تحولية؛ إذ أن مساحة سطحية محددة نظريا تزيد على ٦٠٠ ٢ متر مربع/غرام/غرام مقابل ما هو مطبق في الرسم الكربوني المنشط توفر عددا غير مسبوق من المواقع النشطة للتفاعل مع الجزيئات المستهدفة، ويمكن أن يتجاوز نقل شحناتها ٠٠٠ ٢٠٠ سم2/V، مما يتيح الاستجابة الإلكترونية على أساس الأشعة فوق البنفسجية، ويقترن بمرونتها وقيودها الكيميائية.
لماذا غرافين؟
المنطقة الساحلية الاستثنائية والحساسية
والميزة الأساسية للغرافيين في الاستشعار تكمن في نسبة سطح الأرض إلى الحجم القصوى، فكل ذرة في ورقة واحدة من الطرازين معرضة للبيئة، مما يجعل المواد حساسة بشكل واضح للتغيرات في محيطها المباشر، وعندما تستهدف الجزيئات المستضافة إلى السطح الغرافيني، فإنها تتسبب في تغييرات قابلة للقياس في المقاومة الكهربائية أو الإكرام.
التحويل السريع للعلامات
ويمكن أن تؤدي القدرة الكهربائية الفطرية لغرفين إلى تحويل الإشارات شبه الثابتة، وفي تشكيلة مترجمات ميدانية، يمكن أن يؤدي تغيير دقيق في بيئة الشحن القريبة من القناة الغرافية إلى تحويل خط الاستدلال أو التكوين في غضون ثواني، وهذا أمر حاسم للرصد البيئي في الوقت الحقيقي، حيث يؤدي الكشف المبكر عن حدوث حدث متغير في التلوث، مثل التلوث الكيميائي المستمر.
السطو الميكانيكي والتقلب
إن غرافين قوي بشكل مشهور، ويزيد طوله 200 مرة عن الفولاذ، ومع ذلك المرن والوزن الخفيف، ويتيح هذا الجمع للمستشعرات أن تُختلق على مواضع فرعية مرنة مثل البوليمرات أو الورق، مما يتيح نشرها في بيئات غير تقليدية، كما يمكن أن تُغطى أجهزة استشعار الغرافيا المرنة بالأنابيب، وتوضع داخل طائرات بدون طيارات المياه، بل وتُدمج في رقعات قابلة للارتها لرصد التعرض الشخصي.
الكفاءة الكيميائية وإضفاء الطابع العملي
فالجناح الأرميني حساسة في جوهره لمجموعة واسعة من الجزيئات، ولكن الانتقائية يمكن أن تتعزز بشكل كبير من خلال التشغيل، إذ أن إرفاق أجهزة مصدِّرة محددة - مثل الأجسام المضادة، أو أجهزة الإبترام الحمضية، أو الجسيمات النانوية - إلى السطح الغرافيني، يمكن " توحد " لكشف الملوثات الخاصة مع رفض التدخل.
أنواع أجهزة استشعار المياه التي تستخدم في غرافين
مترجمون ميدانيون - أثرياء
وتتكون أجهزة الاستشعار المزودة بمقياس للجراثيم من أكثر النظم دراسة لمستشعرات المياه من الغرافيني، وهي جهاز قياسي نموذجي للشبكة العالمية لشبكة الطاقة الكهربائية، بين أجهزة توليد الطاقة الكهربائية المصدرية والنفطية، مع وجود كهرباء للبوابة مستخرجة من عينة المياه، وعندما تكون أجهزة التحليل متصلة بسطح الجرافين، فإنها تغير كثافة الناقلات، وتتحول نقطة الاكتشاف في منحنى التحويل.
Electrochemical Graphene Sensors
كما أن أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربية تستخدم مادة الغرافيين ككهرباء لقياسات المقياس المغناطيسي أو قياسات الأشعة فوق البنفسجية، كما أن المساحة الكبيرة للسطح الكهرومغناطيسي تعزز معدل التحويل الإلكتروني، وتحسن نسبة الإشارة إلى المعالم، وهذه أجهزة الاستشعار فعالة بوجه خاص في كشف الأنواع الكهرومغناطيسية مثل المعادن الثقيلة )مثلاً، الكدميوم، والفولط(، والمركبات الاصطناعية الملتية.
Optical Graphene Sensors
ويمكن أيضا استغلال خصائص الامتصاص البصري لجرفين للاستشعار، وفي أجهزة الاستشعار القائمة على الفلور، فإن أكسيد الغرافيني يعمل كجهاز استنشاق؛ وعندما تكون الجزيئات المستهدفة ملزمة بسطح غو، فإن الفلور في المسبار المسموم يسترد، مما يوفر إشارة قابلة للقياس.
Key Contaminants Detectable with Graphene Sensors
المعادن الثقيلة
وقد أظهرت أجهزة الاستشعار في غرافين أداء استثنائياً في كشف هذه الآلات، فعلى سبيل المثال، حقق نهج حساسية منخفضة من أكسيد الغرافين (rGO) يعمل مع الكيستين (Ccysteine) القدرة على كشف Pb2+ إلى 0.1 جزء من المليون، وهو ما يقل كثيراً عن المبدأ التوجيهي لمنظمة الصحة العالمية بشأن كمية الزئبق التي تبلغ 0.5 جزء من المليون.
مبيدات الآفات ومبيدات الأعشاب
وتحتوي هذه المفاعلات الزراعية على قشرة من الملوثات العضوية، بما في ذلك الفولسوف العضوي (مثلاً، الداء، الباراثيون) ومسدسات الكاربات، وقد تُعدل أجهزة الاستشعار التي تستخدم في غلاف غريفين مع انزيمات من مادة الأسيتيلكولينستراس (AChE) حيث يمكن أن تكتشف هذه المركبات السمية العصبية بقياس عدم وجود نشاط انزيمي.
أجهزة مسببة للأمراض الدقيقة
وفي حين أن أجهزة الاستشعار الالكترونية تكافح تقليدياً بالكشف المباشر للبكتيريا والفيروسات، فإن قدرات الرسملة للغرافيني تتيح استخلاص خلايا كاملة أو مضادات محددة، وعلى سبيل المثال، فإن الغرافيين المختلطين بأجهزة مضادة للفيروسات العكوسة ضد E. coli O157:H7 يمكن أن يكشفوا عن عدد قليل من الوحدات التي تقوم بتكوين المستعمرات لكل ميلتر في غضون دقائق - تحسن هائل على الأساليب الثقافية المحتملة للوقاية من الفيروسات التي تتطلب 2448 ساعة.
المواد الكيميائية (الصيدليات، الميكروبات)
وفي حين تمثل المخلفات الصيدلانية )مثلا المضادات الحيوية والهرمونات( والميكروبات الدقيقة تهديدا جديدا لنوعية المياه، فقد تم تكييف أجهزة الاستشعار التي تستخدمها غرافين لكشف هذه الملوثات غير التقليدية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تربط البوليمرات المطبعية الجزيئية على سطح الجرافين بصورة انتقائية بمراحل الكيمياء المضادة للدماغات الحديثة مثل الترايكسيدات.
التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية
رصد نوعية المياه في مجموعات المواد التي تُخوَّل الموارد
ومن أكثر التطبيقات الواعدة للمستشعرات الغرافينية وجودة مياه منخفضة التكلفة ومحمولة للمناطق النامية، وقد وضع الباحثون في جامعة مانشيستر جهازاً استشعارياً للأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يكشف عن أيون الفلوريد في المياه الجوفية على مستويات ذات صلة بالحد الآمن لمنظمة الصحة العالمية (1.5 ملغم/لتر) وتطبع أجهزة الاستشعار بكاملها على أساس فرعي بلاستيكي وتُستخدم في بطارية متزامنة غير مأمونة.
المراقبة ذات التدفق الصناعي
وفي الأوساط الصناعية، تجري محاكمة أجهزة استشعار الجاين من أجل الرصد المستمر للمعادن الثقيلة في مجاري مياه الصرف الصحي، فعلى سبيل المثال، أدمج مشروع تجريبي في الصين جهاز استشعار الكهروكيميائي مرتكز على الرسوم البيانية في خط التفافي لمصنع العلاج لقياس الكروم الساماوي (Cr6+) في الوقت الحقيقي، وحافظ جهاز الاستشعار على قراءات ثابتة لمدة ستة أشهر، مما يتيح إجراء تعديلات آلية على المواد الكيميائية.
نظم الإنذار المبكر للألعاب السمية
وقد تم نشر أجهزة استشعار الجرافين التي تعمل بالأجهزة الاستنشاقية في البخار لرصد البحيرات، وذلك بسبب التلوث المغذي، وإطلاق سمات عصبية قوية مثل أجهزة الاستشعار الميكروستين - لار.
التحديات التي تواجه التسويق والبحث الجاري
الاتساق في التصنيع
كما أن إنتاج رسوم بيانية عالية الجودة وخالية من العيوب بكميات كبيرة منخفضة التكلفة لا يزال يشكل عقبة كبيرة، كما أن رسم البخار الكيميائي يولد اتساقاً ممتازاً ولكنه مكلف وكثيف التكلفة، كما أن الرسم البياني الذي يُنتج عن الحل (مثل تخفيض التكاليف) هو أرخص، ولكنه كثيراً ما يُحدث عيوب وقابلية تقلب غازات الاحتباس الحراري.
الانتقائية والتداخل
ويستجيب الرسم البياني للفتيات المختلفة، مما يجعله غير انتقائي في جوهره، ويضيف التخدير الانتقائية، ولكن الكيمياء المستخدمة يجب أن تكون مستقرة في الماء وليس في تدهور مع مرور الوقت، وتحتوي عينات المياه الحقيقية على مصفوفات معقدة - المواد العضوية الظواهر الطبيعية وأملاحها، وتنوعها من حيث الصحة يمكن أن يتداخل مع الملاءمة أو تسبب الانجراف.
طول الطراز وقابلية الدفء
وكثيراً ما تظهر أجهزة الاستشعار التي تستخدم الجرافات خط الأساس نتيجة للتغيرات التدريجية في الكيمياء السطحية (مثل التكسين واستيعاب الجزيئات المحيطة) كما أن استراتيجيات المعايرة - مثل التنظيف الذاتي الدوري بالأشعة فوق البنفسجية أو المسح المحتمل - يجري تطويرها، كما أن تركيب جهاز الاستشعار باستثناء المنطقة النشطة يمكن أن يمتد أيضاً إلى فترات التشغيل.
التوقعات المستقبلية: التكامل مع معهد التعليم العالي ومنظمة العفو الدولية
وستتحقق الإمكانات الحقيقية لأجهزة استشعار المياه بالغرافيا عندما تدمج دون هوادة في Internet of things (IoT)]شبكات ومقترنة بالاستخبارات الاصطناعية لتفسير البيانات.
وهناك عدة اتحادات للبدء والبحث تعمل بالفعل على هذه النظم، فعلى سبيل المثال، يقوم معهد فراونهوفر [Fraunhofer] ] بتطوير طواف مجهز بالأشعة الذاتية التشغيل يستخدم لوحة شمسية صغيرة والاتصال بالسواتل لرصد الأنهار النائية، وفي الوقت نفسه تجمع المجموعات الأكاديمية صفائف من الفلفل الخلي المكلّف من المختبرات المتعددة الثغرة بين شبكات الجيل المختلط.
وثمة سبيل آخر مثير للإثارة هو تقارب أجهزة الاستشعار بالغرافيا مع أجهزة الفلوريكات. ويمكن أن تتيح أجهزة " لاب على شاب " التي تدمج إعداد العينات والاستشعار وتحليل البيانات المتعلقة بفرع واحد إجراء اختبارات سريعة ومواقعية بأقل قدر من التدخل لدى المستعملين، ونظرا لتوافق الرسم البياني مع الأشعة الضوئية والطباعة القابلة للتقدير، يمكن تصنيع هذه الرقائق في أحجام عالية بتكلفة منخفضة.
خاتمة
وقد برزت غرافين كمواد أساسية للجيل القادم من أجهزة استشعار المياه، حيث إن مساحة سطحها غير المثبتة، وخواصها الإلكترونية، وقوتها الميكانيكية تتيح الكشف عن طائفة واسعة من الملوثات - من المعادن الثقيلة ومبيدات الآفات إلى مسببات الأمراض والميكروبات - التي لها حساسيات ومراحل استجابة تتجاوز أجهزة الاستشعار التقليدية، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في مجال الاكتشاف، والانتقائية، والثغرات في القيمة الطويلة الأجل.
ونظراً لأن العالم يواجه زيادة في شح المياه وضغوط التلوث، فإن الطلب على رصد المياه في الوقت الحقيقي وفي الوقت المناسب، والموثوق به لن ينمو إلا، إذ أن أجهزة الاستشعار التي تستخدم الحبوب، لا سيما عندما تدمج في شبكات التحلل الأولي والمنابر التي تحركها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، توفر مساراً قابلاً للتوسع لحماية الموارد المائية على الصعيد العالمي، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم انتقال أجهزة الاستشعار المائية من النماذج الأولية المختبرية إلى الأوصياء على البيئة.