اكتسبت أنابيب الكربون النانوية Carbon Nanotubes أهمية بالغة في مجال البيئة وذلك نظرا إلى تعدد استخداماتها البيئية المهمة والتي تأتي في مقدمتها صناعة أجهزة الاستشعار والحساسات ⁽²⁾. وتستطيع حساسات أنابيب الكربون النانوية خلال ثوان قليلة اكتشاف وتعيين الملوثات الكيميائية الموجودة على هيئة أبخرة كيميائية في الهواء الجوي، وذلك بدقة عالية. ويعتمد أسلوب العمل في تلك الحساسات على رصد التغير الواقع في قيم الموصلية الكهربية لأنابيب الكربون، وذلك إذا ما اصطدمت بها وارتبطت معها جزيئات ملوثات البيئة الهوائية من الأبخرة الكيميائية. ويتوقف مقدار الزيادة أو النقص في تلك القيم على هوية الجزيء الغازي الذي ترتبط به جزيئاتها. فعلى سبيل المثال، عندما توجد حساسات أنابيب الكربون النانوية في بيئة ملوثة بغاز ثاني أكسيد النيتروجين NO₂، فإن جزيئات هذا الغاز تسبب عند ارتباطها بتلك الأنابيب نقصا في عدد الإلكترونات الموجودة بها. ويرجع هذا النقص إلى أن عدد الإلكترونات بالمدار الخارجي لذرة النيتروجين هو سبعة إلكترونات، أي أنها تحتاج إلى إلكترون واحد فقط كي يصبح مدارها الأخير مكتملا بثمانية إلكترونات، وبالتالي تصبح ذرة مستقرة. وعند ارتباط جزيء ثاني أكسيد النيتروجين بالسطح الخارجي لأنبوبة من أنابيب الكربون النانوية، فإنها تنتزع إلكترونا من الكربون لتكمل به مدارها الخارجي، مسببة بذلك تناقصا في قيم الموصلية الكهربية للأنبوبة النانوية.

وعلى النقيض من غاز ثاني أكسيد النيتروجين، فإن غاز الأمونيا NH₃ يتحد مع بخار الماء في الهواء الجوي مساهما بعدد إلكترون واحد عند ارتباطه بسطح أنبوبة الكربون، وهذا يؤدي إلى زيادة في مقدار قيمة الموصلية الكهربية لها. وقد أوضحت التجارب المعملية والحقلية أن قيم الموصلية الكهربية لحساسات أنابيب الكريون النانوية تتأثر قيمها عند ارتباط أسطح الأنابيب بجزيئات الأبخرة الكيميائية لغازات النيتروجين، الأمونيا، أول أكسيد الكربون ثاني أكسيد الكربون الميثان الهيدروجين والأكسيجين ^(3–7).

وعلى الرغم من إمكان معرفة مدى تلوث البيئة الهوائية بالأبخرة الكيميائية في منطقة معينة، فإن إمكان تسمية الغاز وتحديد هويته ما زال يحتاج إلى كثير من البحث والتطوير. وترجع الصعوبة في تحديد هوية الغاز الملوث إلى أن مقدار الموصلية الكهربية للأنبوبة يمكن أن يتناقص (أو يزداد) مع وجود أنواع مختلفة من الأبخرة الكيميائية. وتجرى الآن أبحاث مكثفة تهدف إلى تغطية الأسطح الخارجية لأنابيب الكربون النانوية برقائق من أنواع البولمر المختلفة بحيث تُستخدم عند الرغبة في تحديد نوع معين من أنواع الأبخرة الكيميائية. فعلى سبيل المثال، عند طلاء السطح الخارجي للأنبوبة بطبقة من أنواع البولمر المعروف باسم البولي إثيلين إميني (Polyethyleneimine) فإنها تحجب أنبوبة الكربون عن استشعار وجود جزيء غاز الأمونيا، بينما تمكنها من استشعار جزيء غاز ثاني أكسيد النيتروجين.

هذا بينما تعمل طبقة «النافيون» Nafion التي تغطي الأنبوبة على تمكين الأنبوبة من استشعار وجود جزيء غاز الأمونيا، وذلك بواسطة حجبها لجزيء غاز ثاني أكسيد النيتروجين.

والسؤال الذي قد يُطرح الآن هو كيف نتمكن من قياس التغير الواقع في قيم الموصلية الكهربية في أنابيب الكربون النانوية عند تعرض أسطحها للارتباط مع جزيء أحد الأبخرة الكيميائية؟ وللإجابة عن هذا السؤال نود أن نوضح أنه عند تصنيع جهاز الاستشعار فإنه تُوضع هذه الأنابيب بين قطبين مصنوعين من أحد الفلزات بدائرة كهربية، كما هو موضح في الشكل (13 – 1). وعند وجود أجهزة الاستشعار في جو خال من ملوثات الأبخرة الكيميائية، فإن هذا يعني عدم تراكم أي جزيئات غازية على السطح الخارجي لأنابيب الكربون النانوية لترتبط بها، وبالتالي تظل قيم موصليتها الكهربية ثابتة بلا تغير، ما يؤدي إلى ثبات في قيم التيار الكهربي بالدائرة الكهربية. أما في حالة وجود جهاز الاستشعار في منطقة ملوثة بالأبخرة الكيميائية، فإن الموصلية الكهربية لهذه الأنابيب تتغير بالنقص أو بالزيادة، ما ينعكس على تغير قيم التيار بالدائرة الكهربية، والذي يكون مؤشرا إلى تلوث المنطقة بالأبخرة الكيميائية.

الشكل (13–1): رسم تخطيطي يوضح طريقة تركيب إحدى الحساسات النانوية المؤلفة من أنابيب الكربون (أ، جـ) حيث يؤدي التصاق جزيئات الغازات الملوثة للهواء بالجدران نانوية الفتحات (ب) إلى تغيير في قيم الموصلية الكهربية لها وبالتالي يمكن التعرف على نوع الغاز الملوث للبيئة الجوية. (المصدر: نفّذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب)

__________________________________________________
هوامش

(2) BCC Research Annual Report, IAS027A. MEMS, Biosensors and Nanosensors, Wellesley, MA, The U.S.A. 2008.

(3) R. W. Miles, K. M. Hynes, and I. Forbes. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, Vol. 51 (2005) pp. 1-12.

(4) Paolo Bondavalli, Pierre Legagneux and Didier Pribat. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 140 (2009) pp. 304-311.

(5) M. Penza et al. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 127 (2007) pp. 168-175.

(6) Tarushee Ahuja Rajesh and Devendra Kumar. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 136 (2009) pp. 275-283.

(7) J. Zhang, et al. Applied Physics Letters, Vol. 88 (2006) Article ID 123112.