به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از ستاد نانو، دستاورد پژوهشگران ایرانی با استفاده از فناوری لیزر کممصرف و کمهزینه توسعه یافته و میتواند بسیاری از محدودیتهای تولید دستگاههای نانومقیاس را برطرف کند؛ محدودیتهایی مانند چندمرحلهای بودن، پیچیدگی بالای ساخت و هزینه تمامشده زیاد که همواره مانع تجاریسازی و بهکارگیری گسترده آنها در دستگاههای روزمره بوده است. پژوهشگران در قالب نمونه مفهومی این روش، یک حسگر پروتونی بسیار سریع و فوقحساس برای پایش تنفس انسان تولید کردند که در رطوبتهای بالای ۵۵ درصد محدوده متداول در بازدم انسان عملکردی دقیق، سریع و پایدار از خود نشان میدهد. این پیشرفت میتواند مسیر تازهای برای تولید انبوه حسگرهای کارآمد و ارزانقیمت باز کند.
پایش دقیق وضعیت تنفسی انسان در سالهای اخیر به یکی از ابزارهای کلیدی پزشکی نوین تبدیل شده است. دستگاههای سنجش بخار آب، رطوبت بازدم و ترکیبات موجود در هوای خروجی میتوانند نشانههای اولیه بسیاری از اختلالات تنفسی، عفونتهای حاد یا مزمن و حتی برخی ناهنجاریهای متابولیک را آشکار کنند. با این حال، یکی از چالشهای اصلی در توسعه تجهیزات پوشیدنی یا قابل حمل، ضرورت ساخت حسگرهایی است که هم کوچک باشند، هم زمان پاسخ بسیار سریع داشته باشند و هم هزینه تولید آنها به اندازهای پایین باشد که امکان استفاده گسترده در سیستمهای پایش شخصی و بیمارستانی فراهم شود.
در چنین بستری، پژوهشگران آزمایشگاه ملی ماده چگال در پژوهشگاه دانشهای بنیادی (IPM) روشی ابداع کردهاند که میتواند ساخت نسل جدید حسگرهای پروتونی را امکانپذیر کند. این روش بر پایه یک ایده ساده و در عین حال عمیق بنا شده است: «ترکیب الگوسازی و سنتز نانوساختار در یک مرحله و با استفاده از لیزر کممصرف».
تا پیش از این، تولید دستگاههای نانومقیاس معمولاً شامل چندین مرحله پرتعداد بود: ایجاد الگوهای ریز، تهنشانی لایههای مختلف، اصلاح ساختار سطحی، افزودن نانوساختارها و سپس فعالسازی عملکرد حسگر. هرکدام از این مراحل نیازمند تجهیزات پیچیده، زمان بالا و هزینه قابل توجه بود و همین موضوع باعث میشد تولید حسگرهای نانویی در مقیاس صنعتی، بسیار دشوار و اقتصادینبودنی جلوه کند. افزون بر این، فرآیندهای چندمرحلهای احتمال خطا، آلودگی و ناهماهنگی ساختاری را افزایش میدادند و کیفیت نهایی محصول را تحت تأثیر قرار میگرفت.
اما در روش تازهای که پژوهشگران IPM معرفی کردهاند، تمام این مراحل در قالب یک فرآیند واحد انجام میشود. با استفاده از لیزر کممصرف و مقرونبهصرفه، سطح ماده پایه همزمان الگوگذاری شده و نانوساختارهایی با خواص الکتریکی و پروتونی مناسب در همان لحظه تشکیل میشوند. این یکپارچگی باعث میشود ساخت حسگر بسیار سریعتر، سادهتر و کمهزینهتر از قبل انجام گیرد، بدون آنکه عملکرد آن قربانی شود.
یکی از مزایای کلیدی این رویکرد، سازگاری آن با طیف گستردهای از مواد و کارکردها است؛ به بیان دیگر، کاربرد این فناوری محدود به حسگرهای پروتونی نیست. فرآیند معرفیشده قابلیت استفاده در توسعه حسگرها، کاتالیستها، ادوات فوتونیک، تجهیزات ذخیره انرژی و حتی دستگاههای پایش پزشکی را دارد. همین گستردگی کاربرد، اهمیت صنعتی و آیندهنگرانه این روش را برجستهتر میکند. برای نشان دادن کارآمدی فناوری جدید، پژوهشگران یک نمونه مفهومی از حسگر پروتونی ساختند که برای پایش لحظهای تنفس طراحی شده است. این حسگر، در شرایطی که رطوبت نسبی محیط بالاتر از ۵۵ درصد باشد یعنی درست در محدوده طبیعی رطوبت بازدم انسان توانست عملکردی فوقالعاده سریع از خود نشان دهد. زمان پاسخ و بازیابی حسگر در مواجهه با تغییرات ناگهانی رطوبت بسیار کوتاه بود و دستگاه توانست تغییرات سریع بازدم را با دقت بالا ثبت کند.
این ویژگیها، آن را برای استفاده در چند حوزه حیاتی مناسب میکند:
پایش لحظهای تنفس در بیماران بستری
تشخیص سریع شوک تنفسی یا بینظمی در الگوی تنفس
کاربرد در تجهیزات پوشیدنی برای ورزشکاران یا بیماران تنفسی
استفاده در سیستمهای هشداردهنده پزشکی همراه برای بیماران پرخطر
نکته قابل توجه آن است که کل فرایند ساخت این حسگر تنها از یک مرحله تشکیل شده و تجهیزات مورد نیاز نیز بسیار سادهتر و کمهزینهتر از روشهای معمول است. به گفته پژوهشگران، این ویژگی امکان تولید انبوه حسگرهای نانویی با قیمت رقابتی را فراهم میکند و میتواند راه را برای ورود حسگرهای پیشرفته به بازار عمومی هموار سازد؛ بازاری که سالهاست به دلیل هزینههای بالا و فرآیندهای پیچیده ساخت، از چنین فناوریهایی محروم مانده است.
از سوی دیگر، استفاده از لیزر کممصرف اثرات زیستمحیطی تولید را کاهش میدهد و مصرف انرژی در فرآیند ساخت را به حداقل میرساند. این مسئله در شرایطی که بسیاری از صنایع جهانی به دنبال کاهش اثرات محیطی و حرکت به سمت تولید سبز هستند، اهمیت دوچندان دارد.
پژوهشگران معتقدند این فناوری تنها آغاز یک مسیر تازه است. آنها انتظار دارند که رویکرد یکمرحلهای معرفیشده بتواند به عنوان یک روش پایه در تولید دستگاههای مبتنی بر مواد عملکردی در مقیاس بزرگ پذیرفته شود. به این ترتیب، طیف وسیعی از سامانههای حسگری و کاربردهای صنعتی میتوانند بهزودی شاهد ورود نسل تازهای از دستگاههای کارآمد، کمهزینه و آمادهتجاریسازی باشند.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Integrated One-Step Fabrication of Protonic Sensing Devices for Respiratory Monitoring در نشریه ACS Sensors به چاپ رسیده است.
