חוקרים מאוהיו הבחינו בשינויי המוליכות החשמלית של תחמוצת הניקל המתרחשים בתגובה לספיחתם של חומרים רעילים, שמקורם באוויר, על פני השטח שלו.
חוקרים מאוניברסיטת אוהיו שבארה”ב פיתחו שיטה חדישה להכנת ננו-חלקיקי תחמוצת מתכת זעירים ונקיים ביותר. הם משתמשים בשיטה פשוטה, מהירה ונמוכת-טמפרטורה זו לשם הכנת חומרים המשמשים בחיישני גז המאתרים כימיקלים תעשייתיים רעילים ואף חומרי-לחימה ביולוגיים. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Materials Chemistry and Physics.
החוקרת Patricia Morris, פרופסור למדעי-החומרים והנדסה באוניברסיטת אוהיו, מובילה צוות מדענים שפיתח חומרים מוצקים המסוגלים לאתר כימיקלים רעילים.
האתגר, היא מציינת, הינו לפתח חומר אשר יגיב במהירות ובמהימנות עם מגוון כימיקלים, בכללם כימיקלים תעשייתיים רעילים, ואשר ישולב בחיישנים. “אלו חיישנים שחיילים בשדה הקרב, או שמגישי עזרה ראשונה לתאונות עבודה במפעלים יוכלו להפעילם,” מסבירה החוקרת.
החומר שנחקר הינו תחמוצת ניקל, שהינו בעל מאפיינים אלקטרוניים בלתי-רגילים. מעבדות אחרות בוחנות את אותו החומר לשימוש בסוללות, תאי-דלק, תאים סולאריים ואפילו ציפויים מחליפי-צבעים. אולם, צוות המחקר הזה מתעניין יותר בשינויי המוליכות החשמלית של החומר המתרחשים בתגובה לספיחתם של חומרים רעילים, שמקורם באוויר, על פני השטח שלו. ניתן להחדיר שכבת ציפוי דקיקה של החומר למערכות מיקרו-אלקטרוניות-מכאניות (בדומה לשבבי מחשב), במטרה לאתר ולזהות חומרים רעילים ידועים.
הרעיון פועל בהתאם לאותו עיקרון בסיסי של חיישן אחר, הרבה יותר מוכר הקרוי “אף”. “האף האנושי משתמש באותות שמקורם במאות אלפי תאי-עצב תחושתיים בכדי לזהות כימיקלים שונים,” מסבירה החוקרת. “פה, אנו משתמשים בשילוב של תגובות אלקטרוניות לשם זיהוי החתימה הייחודית של של חומר רעיל ידוע.”
המפתח לפעילותו היעילה של החיישן טמון בטיב הכנתם של חלקיקי תחמוצת הניקל. צוות המחקר פיתח שיטת סינתזה חדישה המייצרת חלקיקים זעירים מאוד – המספקים לחיישן שטח פנים גבוה ביותר לספיחת פרודות כימיות מהאוויר – וטהורים מאוד – המספקים לחיישן רמת רגישות גבוהה ביותר. גודלו של כל חלקיק תחמוצת הניקל הוא כגודלם של חמישים אטומים בלבד – המקביל לחמישה ננומטרים.
החוקרת מתארת את שיטת הייצור כך: “בפשטות, אתה מערבב את כל הרכיבים יחדיו במיכל לחץ, שם אותו בתנור, שוטף את החומר והוא מוכן לשימוש.”
כמובן, שכדי שכל זה יעבוד חלק, החוקרים חייבים להגיע לתנאי טמפרטורה ולחצים מוגדרים ומתאימים ולהשאיר את התערובת בתנור למשך זמן מדויק. במחקר זה הם הפעילו את התנור לטמפרטורה של 225 מעלות צלזיוס למשך 12 עד 24 שעות. “זמן חימום קצר מידי – תחמוצת הניקל לא תיווצר, זמן ארוך מידי – התחמוצת עוברת חיזור למתכת המקורית,” מסבירה החוקרת. לאחר הוצאת המיכל מהתנור הוא עובר שטיפה בממס אורגני (מתיל אתיל קטון) לשם שחרור ננו-החלקיקים. בשלב זה החומר מוכן לשימוש. שיטות הסינתזה האחרות נדרשות גם לשלב אחד נוסף – טיפול בטמפרטורה גבוהה.
בשלב הבא החוקרים חיברו שכבה של ננו-חלקיקים אלו למערך מיקרו-חישה של שבב צורן בעזרת התקן המכונה “מפזר טיפות פיקומטריות” שבו כל טיפה המוזרמת הינה בנפח של טריליונית הליטר. החוקר מתאר את ההתקן כעין מדפסת הזרקה הממקמת טיפת נוזל המכיל את ננו-החלקיקים על המשטח – במקרה דנן, שבבי הצורן. לדברי החוקרים, זוהי הפעם הראשונה שבה ננו-חלקיקי תחמוצת ניקל יושמו בדרך זו.
אולם, עבור החוקרים התוצאה המקורית והייחודית של המחקר טמונה דווקא בגילוי הראשון אי-פעם של מנגנון התגובה עצמו – כלומר, השלבים הכימיים השונים המתרחשים בתוככי התנור ומיכל הלחץ במהלך סינתזת החומר. עתה, משהחוקרים מבינים את מנגנון התגובה הם יכולים לתכנן דרכים לשם החדרת תוספים לננו-החלקיקים. תוספים שכאלו יוכלו לשנות את תפקוד החיישן – לדוגמא, לזרז את זמן התגובה. מחיר הפקתו של גרם אחד של ננו-חלקיק תחמוצת הניקל הינו חמישה דולרים; בשבב אחד יש כארבעה ננו-גרמים של החומר, כך שמחיר הפקתו של כל חיישן נמוך ביותר.
יישומים נוספים של החומר יכולים להיות בניטור פליטות וזיהומים ובבקרת איכות של האוויר.
הידיעה של אוניברסיטת אוהיו
