ایمنی نانوفناوری سنسورها در صنایع امنیتی داخلی

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 23

نانوفناوری به عنوان یکی از پیشران‌های اصلی در تحول سیستم‌های حفاظتی، دریچه‌های نوینی را به سوی ارتقای امنیت در سطوح ملی و بین‌المللی گشوده است. در این میان، ایمنی نانوفناوری سنسورها در صنایع امنیتی داخلی نقشی کلیدی در تضمین بهره‌برداری اثربخش از این فناوری ایفا می‌کند. کاربرد نانوحسگرها در این حوزه، به دلیل ابعاد بسیار کوچک، دقت فوق‌العاده بالا و توانایی تشخیص لحظه‌ای عوامل تهدیدکننده، به یک ضرورت راهبردی بدل شده است.

این فناوری نه تنها امکان شناسایی پیش‌دستانه مواد منفجره، آلاینده‌های شیمیایی و تهدیدات بیولوژیک را در نقاط حساس فراهم می‌آورد، بلکه با تلفیق در سیستم‌های نظارتی هوشمند، تعادل میان کارایی عملیاتی و ایمنی عمومی را بهبود می‌بخشد. در این راستا، درک دقیق مفاهیم مرتبط با ایمنی نانوفناوری سنسورها در صنایع امنیتی داخلی و تدوین استانداردهای لازم برای توسعه آن‌ها، گامی اساسی در جهت مقابله با چالش‌های امنیتی پیچیده دنیای امروز محسوب می‌شود.

۱- مروری بر نانوسنسورها و فناوری نانو

۱-۱ شرح و مکانیسم نانوسنسورها

یک نانوسنسور را می‌توان به عنوان دستگاهی که قادر به انتقال داده‌ها و اطلاعات در زمینه رفتار و مشخصات نانوذرات از سطح مقیاس نانو به سطح ماکروسکوپی است، تعریف کرد. نانوذرات دارای ویژگی‌های خاص شیمیایی، فیزیکی، نوری برای استفاده در سنسورهای بیولوژیکی [۱۲-۱]، سنسورهای در مقیاس نانو [۲۲-۱۳] و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی- نوری [۲۶-۲۳] می‌باشند. در حقیقت، این مواد حساس به تغییر در محرک‌های محیطی هستند، مانند تنش‌های شیمیایی، گرمایی و مکانیکی و تغییرات در غلظت، حجم، جاذبه و نیروهای مغناطیسی و الکتریکی.

سه روش اصلی مورد استفاده برای تولید نانوسنسورها در حال حاضر شامل روش بالا به پایین، پایین به بالا و روش خود مونتاژ می‌باشد. روش بالا به پایین با بخش بزرگی از مواد آغاز می‌گردد، مانند تخته مدار الکتریکی، و سپس با حک کردن و یا ترسیم نمودار جریان خاص برای یک نانوسنسور ادامه می‌یابد. این روش در رسیدن به ناحیه میکرونی موفق بوده اما رسیدن به این ناحیه در مقیاس نانو اخیراً آغاز شده است. روش پایین به بالا با حرکت و مونتاژ اتم‌ها و مولکول‌های منحصر به فرد به موقعیت‌های خاص آغاز می‌شود. این عمل توسط ابزارهایی مانند میکروسکوپ با نیروی اتمی برای ساخت مولکول‌های آغازگر جهت مونتاژ نانوسنسورها انجام می‌گیرد. با این حال این روش دارای اشکالاتی از قبیل هزینه بالا و زمان ساخت بسیار آهسته است. نتایج مشابهی توسط روش خود مونتاژ به دست آمده است، که به موجب آن اجزاء مولکولی به صورت خودکار خود را به شکل یک سنسور آماده، مونتاژ می‌نمایند، البته در این روش میزان هزینه بسیار کم و سرعت کار بالاست و همینطور کار با دست وجود نداشته یا میزان آن بسیار کم است. به عنوان مثال اگر تکپاره‌های ۱۰، 12 پنتاکوساداینوییک اسید در معرض اشعه UV قرار بگیرند، یک واکنش اضافی ۱.۴ اتفاق افتاده و یک پلیمر آبی شکل می‌گیرد که از این پس کارایی آن به عنوان یک نانوسنسور خواهد بود.

شکل 1- نمایی شماتیک از اشکال (A) مومومریک (B) پلیمری – آبی (C) پلیمری – قرمز

اگر متعاقباً در معرض دمای ۹۰ – ۱۰۰ درجه سانتی گراد قرار بگیرند، تنش مکانیکی یا شیمیایی حلالکافت، همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، پلیمر آبی را مجدداً به شکل پلیمر قرمز می‌آراید، که دارای ریخت شناسی فیزیکی و همین طور هدایت و مقاومت الکتریکی متفاوت است [۲۷]. اگر سایکلوپنتادین به مونومر یا تکپاره اصلی در محلول اضافه شود، خشک شده و سپس در معرض اشعه UV قرار می‌گیرد و تغییرات دمای آبی به قرمز به ۱۹۰ الی ۲۰۰ درجه سانتی گراد افزایش یافته و آن را برای استفاده در کاربردهایی که شامل دما و تنش مکانیکی بالاتر هستند، آماده می‌سازد [۲۸].

2-1- انواع نانوسنسورها

1-2-1 تداخل

سنسور فیبر نوری تداخلی مانند سنسورهای استرین تداخلی Fabry-Perot بیرونی [۲۹]، که در شکل 2 نشان داده شده است، اولین بار در سال ۱۹۹۰ [۳۰] برای مواد ساختاری [۳۱]، عرشه‌های پلیمری ساخته شده از فیبر [۳۲]، تیرهای بتنی پیش تنیده [۳۳]، تولید گردید.

شکل 2- نمایی شماتیک از یک سنسور استرین تداخلی Fabry-Perot بیرونی

بعدها مشخص شد که ضخامت ۳۵۰ میکرومتری لوله مویین سیلیکا حاوی سنسور موجب کاهش ۳۰۰ ٪ در توان مقاومت در برابر فشردگی مواد کامپوزیتی می‌گردد [۳۴]. این مشکل (شکست هدایت سنسور در موقعیت‌های ورود/خروج [۵۳] و عدم حساسیت در تنش‌های عرضی به علت خطای شکاف هوایی بین آینه‌های نوری برای نمایش اثرات فتوالاستیک [۳۶]) استفاده از روش‌های جدید و متفاوت اکتشاف با حسگر را ناگزیر ساخته است.

2-2-1- هسته‌ای

کشف و بازرسی مواد منفجره اغلب با بهره‌گیری از ذراتی مانند نوترون‌ها به منظور بررسی نوکلئون‌های مواد انجام می‌گیرد. از آنجایی که سطح مقطع نوترون بسیار کوچک‌تر از فوتون است به صورت عمیق تری در اتم (یعنی محل برهم کنش با سیگنال‌های مواد آزمون، کاهش تابش کاوش و یا کشف پرتو گاما در اثر برهم کنش نوترون با هسته ها) نفوذ می‌کند. یکی از مشکلات این روش، انتخاب صحیح آشکارساز است. این مورد نیازمند بررسی‌هایی از جمله هزینه مواد کاشف، مسائل لجستیکی خنک سازی برودتی و خطر آسیب پرتو به آشکارساز و محیط زیست می‌باشد. سخت‌ترین مشکل تولید کافی نوترون هاست در حالی که باید از مردم در مقابل پرتو حفاظت شود و مشکلات دیگری که عبارتند از حفاظت در مقابل نوترون‌های پراکنده، زمان‌های طولانی برای کسب مجوز که توانایی جابه‌جایی سریع تجهیزات بر پایه موقعیت‌های تروریستی را کاهش می‌دهد و درک عمومی از کلمه هسته‌ای که با ریسک‌های بهداشتی و آلودگی زیست محیطی آمیخته است [۷۳].

3-2-1- اشعه ایکس

کشف با اشعه x از زمان سقوط تروریستی هواپیمای pan am flight ۱۰۳ بر فراز لاکربی، اسکاتلند در سال ۱۹۸۸ اهمیت قابل توجهی یافت. در سال ۱۹۹۱ اولین سیستم اشعه ایکس توسط Vivid Technologies برای کشف مواد منفجره پلاستیکی در چمدان مورد استفاده قرار گرفت [۸۳]. سیستم‌های جدیدتر مبتنی بر پراکندگی پدید آمدند، مانند سیستم توزیع معکوس که در آن سطح پشت بار، شار اشعه x یکنواخت تری را دریافت می‌کند، این عمل، آنها را قابل تفسیرتر از شار سطح جلو که به وسیله محتویات چمدان کاهش یافته است، می‌سازد. روش دیگری به نام پراکندگی اشعه ایکس منسجم (CXRS) قادر به نمونه برداری از حجم کوچکی از جسم در سه بعد است، این عمل با حرکت این حجم که وکسل نامیده شده است به سمت بالا یا پایین با تغییر فاصله افت بین کاشف و منبع اشعه ایکس (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است) انجام می‌گیرد.

اما شار اشعه ایکس به علت فاصله زیاد موجود و مجموعه محدود شده کریستال‌های نیازمند جهت‌گیری صحیح برای وقوع پراکندگی براگ، دارای سطح شدت پایینی است. بنابراین، نتیجه گیری در نرخ پایین بار و چمدان و همینطور کشف و تجزیه و تحلیل، نیازمند جریان‌های بالا و زمان مواجهه طولانی است. با این وجود، این قابلیت کشف، تعداد هشدارهای ناصحیح را که توسط باز کردن دستی چمدان و بازدید بصری حل خواهد شد به صورت چشمگیری کاهش خواهد داد.

تکنیک جدیدتر کشف با اشعه ایکس تصویرگیری از برش‌های قطع شده به صورت کامپیوتری (CT = computed tomography) می‌باشد که اطلاعات دقیق تری را در زمینه‌ی موضوعات شخصی موجود در چمدان که پیشتر برای اسکنرهای سنتی غیرقابل دسترس بود، تهیه می‌کند. از آنجایی که ضریب میرایی جسم μ برای اشعه ایکس متناسب با چگالی آن است، CT قادر به اعمال تبعیض میان اجسام متداخل بسیاری است که درون چمدان قرار دارند و همینطور قادر به تهیه یک تصویر سه بعدی کامل از این اشیاء می‌باشد [۴۰،۳۹]. سیستم‌های CT با انرژی دوگانه قادر به استخراج اطلاعات اضافی می‌باشند، از آنجایی که μ متناسب با عدد اتمی Z و چگالی است، با استفاده از دو اسکن اشعه ایکس با انرژی متفاوت، شکل طیف انرژی حاصل شده برای نمونه‌های مختلف متفاوت خواهد بود. ارزش میانگین Z، ممکن است برای هر ترکیب یا مخلوط شده به دست آمده و منجر به توصیف و شناسایی نمونه گردد. از آنجایی که هر دو سمت اسکن CT، برای حفاظت از اشعه ایکس، مجموعه‌های بسیاری از پرده‌های سربی را در بر می‌گیرد، مواجه با اشعه ایکس به میزان مناسبی تر از محدودیت‌های ایمنی برای پرسنل نگه داشته شده است.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ ایمنی نانوفناوری در صنایع الکترونیک و ارتباطات

⇐ ایمنی نانوفناوری در صنایع دریایی

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت هوافضا

⇐ ایمنی نانو ذرات در صنایع غذایی