تقنية مطوّرة لرصد الغازات الضارة بدقة عالية

علماء «كاوست» يصممون أجهزة استشعار لحماية العاملين في الأماكن المغلقة

تستخدم الأقطاب لجمع خصائص الأُطُر المعدنية العضوية المُعالجة بالفلور

يحتاج العاملون في الأماكن المُغلقة الصغيرة، بدايةً من رواد الفضاء وأفراد أطقم الغواصات وانتهاءً بعُمال المناجم وعمال الإنقاذ، إلى جودة هواء عالية للعمل بأمان وفاعلية. ولتوفير هذه البيئة استطاع فريق من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) تطوير أجهزة استشعار إلكترونية ترصد في آن واحد ثلاثة عوامل محورية على الأقل بالغة الأهمية لمراقبة راحة الإنسان وسلامته وضمانهما.
تستغل أجهزة الاستشعار المطورة هذه، الأُطُر المعدنية العضوية المُعالجة بالفلور كطبقة مُستشعرة. وهذه الأطر هي مواد مسامية تشمل مصفوفة منتظمة من ذرات معدنية تترابط ترابطا وثيقا بواسطة روابط جزيئية عضوية صغيرة بحيث تُشَكِّل بنية تشبه القفص. ويوضح البروفيسور محمد الداودي، أستاذ علوم الكيمياء ومدير عام مركز أبحاث الأغشية والمواد المسامية المتقدمة في كاوست، الذي قاد دراستين لفعالية المستشعر، أنه بتعديل المكونات المعدنية والعضوية، يمكن ضبط الأُطر المعدنية العضوية بحيث تلائم تطبيقات تتراوح من فصل الغازات وتخزينها إلى التحفيز والاستشعار.
وبحسب كل من الدكتور محمد راشد تشالالا والدكتور يوسف بلمبخوت والدكتور براشانت بهات، وجميعهم من مختبر البروفيسور الداودي، فإن كل المحاولات السابقة التي قام بها كثيرون لتطوير مستشعرات ثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكربون والماء، لم تنجح.
وقد انطوى النهج الذي اتبعته مجموعة الداودي على تطوير إطار معدني عضوي مُعالَج بالفلور، اختبره بلمبخوت وتشالالا كمواد استشعار لتلك الغازات. وتم اختبار هذه المواد الحديثة بالتعاون مع البروفيسور خالد نبيل سلامة، أستاذ, الهندسة الكهربائية وفريقه في كاوست.
وتبين الدراسة الأولى كيف أن المستشعر بوسعه قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون ومستوى الرطوبة في الهواء، بينما تبين الدراسة الثانية التي أُجريت على الأُطر المعدنية العضوية المُعالجة بالفلور نفسها أن بوسع المستشعر أن يرصد غاز ثاني أكسيد الكبريت الضار المُسبب للتآكل، بل و إزالته بشكل انتقائي من غاز مداخن محطات توليد الكهرباء.
يقول الدكتور بلمبخوت والدكتور بهات: «ثمة آثار لغاز ثاني أكسيد الكبريت موجودة دائمًا في غاز المداخن الذي تنتجه المصانع ومحطات توليد الكهرباء، ومن الممكن أن يسمِّم هذا الغاز المواد المُطوَّرة لحصر ثاني أكسيد الكربون لأغراض احتجاز الكربون وتخزينه. وتستطيع مادة AlFFIVE-1-Ni امتصاص ثاني أكسيد الكبريت بمعدل انجذاب أعلى بـ66 مرة من امتصاصها لثاني أكسيد الكربون، في الوقت الذي أبدت فيه استقرارًا جيدًا عند تعرضها لثاني أكسيد الكبريت».
ومن الممكن أيضًا استخدام الأُطر المعدنية العضوية المُعالجة بالفلور مع منصتيْ استشعار بسيطتيْن عاليتيْ الحساسية ومنخفضتيْ التكلفة، حيث رصدت مستشعرات ميزان الكوارتز الكريستالي (ميزان كتلة فائق الحساسية يقيس مستويات التغير على مستوى النانوغرام والميكروغرام في الكتلة لكل وحدة مساحة) المُغلفة بغشاء رقيق بأي من نوعيْ الإطار المعدني العضوي المُعالَج بالفلور تغيُّرًا في الكتلة بالتزامن مع امتصاص ثاني أكسيد الكبريت أو الماء وثاني أكسيد الكربون. وبالمثل، فإن المستشعرات المتداخلة للأقطاب المُغطاة بالإطار المعدني العضوي المُعالج بالفلور، رصدت تغيرًا في الخصائص الإلكترونية مع امتصاص الماء وثاني أكسيد الكربون. وأثبت فريق العمل أن كلتا المنصتيْن يمكن أن تراقبا مستويات الرطوبة وثاني أكسيد الكربون في الأحوال الجوية الحقيقية. ويشرح الدكتور تشالالا الأمر قائلاً: «تتم مُعايرة الإشارة مُقابل تركيز ثاني أكسيد الكربون ومستوى الرطوبة ومزيج من الاثنين معًا». وبوسع مستشعر ميزان الكوارتز الكريستالي الكشف عن ثاني أكسيد الكبريت في الهواء عند مستويات مقدارها 25 جزءا من المليون فقط لا غير.
إن التقنية التي تم تطويرها في مركز الأغشية والمواد المساميَّة المتقدِّمة قادرة على رصد العديد من الغازات بدرجة عالية من الانتقاء والحساسية، حيث حصلت مؤخرا على براءة اختراع أميركية.