به گزارش خبرگزاری مهر، این فناوری با رشد مستقیم دیواره‌های نانویی گرافن روی الیاف پلیمری، یک ساختار سلسله‌مراتبی «نانو روی نانو» ایجاد می‌کند که علاوه بر افزایش سطح تماس حسگر با مولکول‌های گاز، حرکت این مولکول‌ها را نیز کنترل می‌کند و در نتیجه حساسیت حسگر را افزایش می‌دهد.

سال‌های اخیر، حسگرهای پوشیدنی به یکی از حوزه‌های مهم فناوری تبدیل شده‌اند. بخشی از این حسگرها برای پایش وضعیت بدن طراحی می‌شوند، اما گروه دیگری از آن‌ها وظیفه‌ای متفاوت دارند: بررسی محیطی که فرد در آن تنفس می‌کند. چنین حسگرهایی می‌توانند روی پوست، لباس یا ماسک نصب شوند و وجود گازهای خطرناک را پیش از آنکه غلظت آن‌ها به سطوح نگران‌کننده برسد، شناسایی کنند.

این قابلیت به‌ویژه در محیط‌های صنعتی اهمیت دارد؛ جایی که کارکنان ممکن است در معرض گازهای سمی یا آلاینده قرار بگیرند. بااین‌حال، ساخت یک حسگر گازی که بتواند برای مدت طولانی روی ماسک یا سایر تجهیزات پوشیدنی قرار گیرد، کار ساده‌ای نیست. حسگر باید سبک، انعطاف‌پذیر و مقاوم باشد و در عین حال اجازه دهد هوا و رطوبت به‌راحتی عبور کنند. اگر قرار باشد یک حسگر روی ماسک نصب شود، نمی‌توان برای افزایش حساسیت آن، مسیر تنفس کاربر را هم قربانی کرد. بدن انسان، برخلاف بعضی تجهیزات آزمایشگاهی، معمولاً علاقه‌ای به مصالحه با طراحی مهندسی ندارد.

گروهی به سرپرستی سونگ‌وون لی، استاد گروه فیزیک و شیمی مؤسسه علم و فناوری دِگو-گیونگ‌بوک، برای حل این چالش به سراغ ترکیبی از نانوالیاف پلیمری و گرافن رفته‌اند. نتیجه کار، ساخت یک شبکه نانویی سه‌بعدی است که در آن دیواره‌های نانویی گرافن مستقیماً روی سطح الیاف پلیمری رشد داده شده‌اند.

نانوالیاف پلیمری به دلیل وزن کم، انعطاف‌پذیری و قابلیت عبور مناسب هوا، گزینه جذابی برای ساخت حسگرهای پوشیدنی هستند. بااین‌حال، این مواد یک محدودیت مهم دارند: سطح مؤثر آن‌ها برای برهم‌کنش با مولکول‌های گاز محدود است. از سوی دیگر، تولید مستقیم مواد کربنی عملکردی مانند گرافن معمولاً به دماهای بالا نیاز دارد و همین موضوع می‌تواند به ساختارهای پلیمری آسیب بزند.

پژوهشگران برای عبور از این مشکل، روش جدیدی را به‌کار گرفتند که در آن دیواره‌های نانویی گرافن با استفاده از رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسمای کم‌دما، یا CVD پلاسمایی، روی سطح الیاف پلیمری مقاوم به حرارت تشکیل می‌شوند. استفاده از فرایند کم‌دما این امکان را فراهم کرد که دیواره‌های گرافنی بدون تخریب شکل و ساختار اولیه الیاف رشد کنند.

در این فرایند، دیواره‌های گرافنی به‌صورت عمودی روی سطح الیاف قرار می‌گیرند و در نتیجه ساختاری متراکم اما همچنان متخلخل ایجاد می‌شود. این معماری نانویی، سطح در دسترس برای تماس با مولکول‌های گاز را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد، در حالی که شبکه پلیمری همچنان انعطاف‌پذیری و قابلیت عبور هوا را حفظ می‌کند.

اما نکته جالب‌تر این پژوهش فقط افزایش سطح حسگر نیست. پژوهشگران دریافتند که دیواره‌های نانویی گرافن می‌توانند حرکت مولکول‌های گاز را نیز تحت‌تأثیر قرار دهند. فضای بسیار باریک میان دیواره‌های گرافنی نوعی اثر محصورشدگی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود مولکول‌های گاز برای مدت بیشتری در این فضاها باقی بمانند.

این اتفاق احتمال برخورد مولکول‌های گاز با سطح گرافن را افزایش می‌دهد و در نتیجه فرصت بیشتری برای برهم‌کنش میان ماده حسگر و گاز فراهم می‌شود. شبیه‌سازی‌های انتقال گاز و آزمایش‌های انجام‌شده توسط تیم پژوهشی نیز نشان داد که درون ساختار سلسله‌مراتبی دیواره‌های گرافنی، مسیر حرکت مولکول‌ها و تعداد برخوردهای موضعی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند.

در نتیجه، حسگر تنها به این دلیل عملکرد بهتری ندارد که «سطح بیشتری» در اختیار دارد، بلکه معماری نانویی آن باعث می‌شود مولکول‌های گاز مدت بیشتری در نزدیکی سطح فعال باقی بمانند و احتمال برهم‌کنش آن‌ها با ماده حسگر افزایش پیدا کند. همین رویکرد، یکی از مهم‌ترین جنبه‌های نوآورانه این مطالعه به‌شمار می‌رود.

پژوهشگران عملکرد ساختار توسعه‌یافته را برای شناسایی گاز دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) نیز بررسی کردند. دی‌اکسید نیتروژن یکی از آلاینده‌های مهم هوا و گازی خطرناک است که می‌تواند در محیط‌های صنعتی و شهری وجود داشته باشد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد ساختار نانوشبکه گرافنی می‌تواند عملکرد حسگری را بهبود دهد و امکان شناسایی مؤثرتر این گاز را فراهم کند.

یکی از مراحل مهم این پژوهش، خارج‌شدن فناوری از محیط آزمایشگاه و آزمایش آن روی یک بستر پوشیدنی واقعی بود. تیم تحقیقاتی حسگر توسعه‌یافته را روی یک ماسک هوشمندنصب کرد و نشان داد که این سامانه می‌تواند برای پایش طولانی‌مدت گازها مورد استفاده قرار گیرد، بدون اینکه قابلیت تنفس‌پذیری و انعطاف‌پذیری ماسک به شکل قابل‌توجهی کاهش پیدا کند.

به‌گفته سونگ‌وون لی، اهمیت این مطالعه تنها در افزایش سطح تماس حسگر با گازها نیست، بلکه در ارائه یک اصل طراحی جدید برای افزایش عملکرد حسگرهاست؛ اصلی که به‌جای تمرکز صرف بر افزایش سطح، حرکت خود مولکول‌های گاز درون ساختارهای نانویی را نیز کنترل می‌کند.