קצף גרפן המשמש לגילוי חומרי-נפץ

התגלית פותחת את הצוהר לפיתוח דור חדש של חיישני גזים לטובת שימושם של יחידות החבלה, רשויות אכיפה, ארגוני ביטחון, וכן במגוון מערכות תעשייתיות

מחקר חדש מהמכון הפוליטכני ע”ש רנסלר מדגים כיצד קצף גרפן יכול לעלות בביצועיו על חיישני גזים מסחריים מובילים המצויים כיום בשוק באיתור כימיקלים מסוכנים או פציצים. התגלית פותחת את הצוהר לפיתוח דור חדש של חיישני גזים לטובת שימושם של יחידות החבלה, רשויות אכיפה, ארגוני ביטחון, וכן במגוון מערכות תעשייתיות.

החיישן החדש מסוגל למדוד שוב ושוב ובהצלחה רמות של אמוניה ושל דו-תחמוצת החנקן בריכוזים נמוכים במיוחד בקנה-מידה של 20 חלקים למיליון (ppm). בהיותו מורכב מננו-יריעות גרפן רציפות הגדלות לכדי מבנה דמוי-קצף בגודל של בול דואר ובעובי של אריג, החיישן החדשני הינו גמיש, גבשושי ומתגבר סוף כל סוף על החסרונות שמנעו מחיישני גז מבוססי-ננו מבנים מלהגיע לשוק. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Scientific Reports.

“אנו נרגשים מאוד בנוגע לתגלית זו, וסבורים כי היא תוכל להוביל לפיתוח חיישני גז מסחריים חדשים,” אמר הפרופסור להנדסה Nikhil Koratkar, אחד מהחוקרים הראשיים. “עד עתה, החיישנים הפגינו רגישות גבוהה יותר באיתור אמוניה ודו-תחמוצת החנקן בתנאים של טמפרטורת החדר מאשר חיישני גז הקיימים היום בשוק.”

במהלך העשור האחרון חוקרים רבים הראו כי ננו-מבנים פרטניים רגישים במיוחד לכימיקלים ולגזים שונים. אולם, הפיתוח וההפעלה של התקן לאיתור גזים המורכב מננו-מבנים פרטניים הוכחו כמורכבים ויקרים מדי ובלתי-אמינים לשימוש מסחרי, מציין החוקר. מאמץ כזה כרוך בבנייה ובהתאמה של מיקומו של כל ננו-מבנה פרטני, באיתורו ע”י מיקרוסקופ, שימוש בליתוגרפיה לשם שילוב מגעי זהב, ולאחר מכן הפעלת שלבים יקרים ואיטיים אחרים. כאשר הוא מוטמע בהתקן נייד, ננו-מבנה יחיד כזה עלול להינזק בקלות ולהפוך לבלתי-פעיל. בנוסף, ההרחקה של הגז המאותר מננו-המבנה הייתה עשויה להיות מאתגרת. המבנה החדש שפותח כולל את כל התכונות החיוביות של ננו-מבנה יחיד, אולם קל יותר לעבוד אתו בזכות גודלו המקרוסקופי.

החוקרים התחילו בהצמחת גרפן ע”ג מבנה של קצף ניקל. לאחר הסרת קצף הניקל, מה שנותר הינו רשת חלולה של גרפן דמוי-קצף. דופנות החיישן המבוסס על הגרפן דמוי-הקצף מורכבות מיריעות גרפן רציפות הנעדרות כל הפסקות או הפרעות פיסיקליות ביניהן. צוות החוקרים החליט להשתמש במבנה קצף גרפן זה כגלאי גז. כתוצאה מחשיפת קצף הגרפן הזה לאוויר המזוהם בעקבות של אמוניה או דו-תחמוצת החנקן, החוקרים מצאו כי חלקיקי הגז נדבקים, או נספגים, לתוך מבנה הקצף. השינוי בכימיית המשטח הוא בעל השפעה ניכרת על ההתנגדות החשמלית של הגרפן. מדידת שינוי זה בהתנגדות מהווה את המנגנון עליו מבוססת היכולת של החיישן לגלות גזים שונים. בנוסף, חיישן הגז המבוסס על הגרפן קל לניקוי – באמצעות הפעלת זרם של 100 מיליאמפר דרך מבנה הגרפן החוקרים הצליחו לחמם את קצף הגרפן מספיק בשביל להרחיק, או להוציא את כל חלקיקי הגז הספוחים. למנגנון ניקוי זה אין כל השפעה על יכולתו של קצף הגרפן לזהות גזים, כלומר – תהליך הגילוי הפיך לחלוטין והתקן המבוסס על טכנולוגיה חדשה זו יצרוך אנרגיה נמוכה – לא יהיה צורך בהתקני חימום חיצוניים לנקות את הקצף – ויהיה רב-פעמי בזכות כך.

החוקרים בחרו בחומר אמוניה לשם גז הבחינה לטובת הדגמת הוכחת הרעיון לגלאי זה. החומר אמוניום ניטראט נוכח בחומרי נפץ רבים והוא ידוע ככזה המתפרק תוך שחרור עקבות של אמוניה. כתוצאה מכך, גלאי אמוניה משמשים בדר”כ לבחינת נוכחותו של חומר נפץ. אמוניה, שהינה גם גז רעיל, משמשת גם במגוון תהליכים תעשייתיים ורפואיים, שם נדרשים גלאי אמוניה לאיתור דליפות.

ממצאי המחקר הראו כי מבנה קצף הגרפן החדש מאתר אמוניה בריכוז של 1000 חלקים-למיליון תוך 10-5 דקות בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספירי. השינוי המתלווה להתנגדות החשמלית בגרפן היה ברמה של 30 אחוזים. זאת בהשוואה לחיישנים זמינים מסחרית המורכבים מפולימרים מוליכים, העוברים שינוי התנגדות של 30 אחוזים בתוך 10-5 דקות בחשיפה לרמה של 10000 חלקים למיליון של אמוניה – כלומר, באותו משך הזמן ושינוי ההתנגדות גלאי הגרפן רגיש יותר פי עשרה. רגישות גלאי הגרפן יעילה עד רמה של 20 חלקים למיליון – ערך הרבה יותר נמוך מאלו הקיימים בהתקנים עכשוויים. בנוסף, רבים מההתקנים הקיימים מסחרית צורכים אנרגיה רבה מאחר והם מפגינים רגישות מתאימה רק בטמפרטורות גבוהות, בעוד שגלאי הגרפן פועל בטמפרטורת החדר.

צוות החוקרים השתמש בתרכובת דו-תחמוצת החנקן כגז בחינה שני – חומרי-נפץ שונים, לרבות ניטרו-צלולוזה, מתפרקים באיטיות תוך פליטה של הגז דו-תחמוצת החנקן כתוצר-לוואי. כתוצאה מכך, גם תרכובת זו משמשת כסמן לאיתור חומרי-נפץ. בנוסף, גז זה מהווה מזהם רווח הנפלט מתאי בעירה של כלי-רכב רבים ומערכות ניטור סביבתיות שונות רבות מאתרות בזמן אמת את ריכוזיו של גז זה. חיישן הגרפן החדש מאתר דו-תחמוצת החנקן ברמה של 100 חלקים למיליון תוך שינוי של 10 אחוזים בהתנגדות בתוך 10-5 דקות בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספירי. חיישן זה היה רגיש פי 10 יותר מאשר חיישנים קיימים המבוססים על פולימר מוליך, המאתרים ריכוזי דו-תחמוצת החנקן ברמה של 1000 יחידות למיליון באותם התנאים. חיישן הגרפן רגיש עד כדי 20 חלקים למיליון בטמפרטורת החדר.

“אנו מתייחסים להתקן זה כחיישן הגז המעשי הראשון המבוסס על ננו-מבנים המתאים למסחור,” מציין החוקר הראשי. החיישן החדש ניתן להתאמה כך שיוכל לאתר גם גזים אחרים מלבד אמוניה ודו-תחמוצת החנקן.

הידיעה על המחקר