باحثون كوريون جنوبيون يطورون مستشعراً من البيروفسكايت الخالي من الرصاص للكشف المبكر عن تسرب الأمونيا

طور باحثون في كوريا الجنوبية جهازاً عالي الحساسية للكشف عن الغازات، قادراً على تحديد الكميات الضئيلة من تسربات الأمونيا، مما يوفر نهجاً أكثر أماناً واستدامة للمراقبة الكيميائية الصناعية. وكما أورد موقع phys.org، يعتمد هذا التقدم على مادة بيروفسكايت خالية من الرصاص وصديقة للبيئة، هُندست لاكتشاف الأمونيا بتركيزات منخفضة تصل إلى جزء واحد في المليون. وقاد المشروع ميونغ كوان سونغ (Myungkwan Song)، وهو باحث رئيسي في قسم البحوث لمواد الطاقة والبيئة بمعهد كوريا لعلوم المواد المعروف باسم KIMS.

## إنجاز بارز في الكشف عن الأمونيا يعالج هذا التطوير تحدياً مستمراً في مجال السلامة الصناعية والمراقبة البيئية: الكشف السريع عن الغازات السامة قبل أن تصل تركيزاتها إلى مستويات خطيرة. وتعد الأمونيا مركباً صناعياً مستخدماً على نطاق واسع، غير أن التعرض لتركيزات منخفضة منها قد يسبب تهيجاً تنفسياً حاداً ومخاطر صحية. ووفقاً لتقارير phys.org، يحقق المستشعر المصمم حديثاً حد كشف يبلغ جزءاً واحداً في المليون، وهو ما يمثل مستوى حساساً للغاية ومحورياً لأنظمة الإنذار المبكر في منشآت التصنيع والعمليات الزراعية ومواقع تخزين الطاقة.

ومن خلال استخدام بنية متطورة للمواد، أثبت الفريق في KIMS أن مستشعرات الغاز يمكنها تحقيق حساسية عالية دون الاعتماد على المعادن الثقيلة الخطرة. وغالباً ما تتطلب المستشعرات الكيميائية التقليدية القادرة على العمل عند الحدود الضئيلة درجات حرارة مرتفعة أو عمليات تصنيع معقدة، بينما توفر التصاميم القائمة على البيروفسكايت مسارات بديلة لأنظمة كشف خفيفة الوزن وعالية الاستجابة.

## التحول نحو مواد البيروفسكايت الخالية من الرصاص حظيت مواد البيروفسكايت —وهي مواد تتميز ببنية بلورية محددة— باهتمام واسع في السنوات الأخيرة في مجالات الطاقة الشمسية، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء، وتطبيقات الاستشعار الإلكتروني. وتجعلها خصائصها الكهروضوئية الفريدة فعالة بشكل خاص في التفاعل مع الجزيئات المستهدفة، مما ينتج عنه تغيرات كهربائية أو ضوئية قابلة للقياس عند تعرضها لغازات معينة.

ومع ذلك، تعتمد العديد من تركيبات البيروفسكايت عالية الأداء تقليدياً على الرصاص، وهو معدن ثقيل سام يشكل مخاطر بيئية وصحية أثناء التصنيع والاستخدام والتخلص منه. وقد أدى إدراج الرصاص تاريخياً إلى الحد من النشر العملي لأجهزة البيروفسكايت في التطبيقات الميدانية، حيث تفرض المعايير التنظيمية بشكل متزايد استخدام مكونات خالية من الرصاص وصديقة للبيئة.

ويعالج البحث الذي قاده سونغ هذا العيب في المواد بشكل مباشر. فمن خلال استبدال الرصاص بعناصر بديلة غير سامة في هيكل البيروفسكايت، حافظ فريق KIMS على التفاعلية الغازية القوية للمادة مع التخلص من العناصر السامة. ووفقاً لموقع phys.org، يضمن هذا التركيب الصديق للبيئة توافق التكنولوجيا مع المعايير البيئية العالمية التي تهدف إلى الحد من المواد الخطرة في المعدات الكهربائية والإلكترونية.

## الأهمية الصناعية والبيئية تلعب الأمونيا دوراً حيوياً في الصناعة الحديثة، إذ تُستخدم كسلائف رئيسية للأسمدة النيتروجينية، ومبرد شائع في منشآت التبريد ضخمة النطاق، ومادة كيميائية تتزايد أهميتها في سلاسل إمداد الطاقة خالية الكربون. ومع تزايد الاهتمام باستخدام الأمونيا كوسط ناقل لوقود الهيدروجين، من المتوقع أن يرتفع حجم الأمونيا المنقولة والمخزنة عالمياً بشكل كبير.

وعلى الرغم من فائدتها الصناعية، فإن الأمونيا مركب خطير. فهي غاز عديم اللون ذو رائحة حادة وخانقة، إلا أن الاعتماد على حاسة الشم البشرية للكشف عن التسرب ليس آمناً بطبيعته. فالكشف البشري يحدث عادة بعد أن تتجاوز التركيزات حدود التعرض المهني الآمنة، والتي تُحدد غالباً بين 25 و50 جزءاً في المليون على مدار يوم عمل من ثماني ساعات. ويسمح المستشعر القادر على تحديد التسربات عند مستوى جزء واحد في المليون للمشغلين بالحد من أعطال المعدات أو تسربات الأنابيب أو تدهور خزانات التجميع قبل وقت طويل من تهديد مستويات الغاز لصحة العمال أو تسببها في حوادث سلامة كارثية.

علاوة على ذلك، تشكل انبعاثات الأمونيا المفرطة مخاطر جسيمة على جودة الهواء المحيط والأنظمة البيئية المجاورة. إذ تتفاعل الأمونيا الجوية مع أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت لتشكيل الجسيمات الدقيقة، مما يساهم في حدوث الضباب الدخاني والتلوث الجوي المحلي. ولذلك فإن المراقبة الموثوقة والمستمرة عند مستويات أقل من جزء في المليون والمستويات المنخفضة للغاية تعد ضرورية لإنفاذ الامتثال البيئي وحماية المجتمعات القريبة من المناطق الصناعية.

## التحديات في تكنولوجيا استشعار الغاز الحديثة لطالما سعى مجال استشعار الغازات الكيميائية إلى إيجاد مواد توازن بين الحساسية العالية والانتقائية وسرعة الاستجابة والاستقرار التشغيلي طويل الأجل. وتعتمد العديد من المستشعرات التجارية الحالية على أشباه الموصلات من أكسيد المعدن، والتي تتطلب غالباً درجات حرارة تشغيل عالية للعمل بفعالية. ويزيد هذا الشرط الحراري من استهلاك الطاقة، مما يجعل المراقبة المستمرة أو عن بُعد باستخدام البطاريات أمراً صعب التنفيذ لفترات ممتدة.

وتوفر مواد البيروفسكايت بديلاً جذاباً لأنها تستطيع العمل بكفاءة عند درجات حرارة تشغيل أقل، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة. ومع ذلك، عانت مستشعرات غاز البيروفسكايت المبكرة مراراً وتكراراً من عدم الاستقرار عند تعرضها للرطوبة أو الظروف الجوية المحيطة. وتركزت استراتيجية هندسة المواد التي اعتمدها فريق KIMS على تعزيز الاستقرار الهيكلي مع الحفاظ على نقل سريع للشحنات عندما ترتبط جزيئات الأمونيا بسطح المستشعر أو تتفاعل معه.

ومن خلال تحقيق حد كشف يبلغ 1 جزء في المليون باستخدام تركيبة خالية من الرصاص، أثبت باحثو KIMS أن المتغيرات الصديقة للبيئة من البيروفسكايت يمكنها معادلة أو تجاوز مؤشرات أداء نظيراتها التقليدية المحتوية على الرصاص، مما يزيل عقبة رئيسية في تصميم المواد الوظيفية.

## الآفاق المستقبلية والتطبيق التجاري يمثل تطوير مستشعرات البيروفسكايت الخالية من الرصاص خطوة هامة نحو شبكات المراقبة البيئية من الجيل القادم. ويمكن أن تشهد التطبيقات المستقبلية دمج هذه المستشعرات في عقد مراقبة مدمجة ومتصلة بالإنترنت تُنشر عبر المصانع الكيميائية والمنشآت الزراعية وممرات النقل. وإن استهلاكها المنخفض للطاقة وحساسيتها العالية يجعلانها مرشحة مناسبة لمصفوفات المستشعرات الموزعة القادرة على نقل بيانات جودة الهواء في الوقت الفعلي إلى أنظمة الإدارة المركزية.

وفي حين يظهر التحقق المختبري أداءً قوياً عند التركيزات الضئيلة، فإن نقل التكنولوجيا إلى الإنتاج الضخم سيطلب تقنيات تصنيع قابلة للتوسع واختبارات ميدانية صارمة تحت ظروف رطوبة ودرجات حرارة متغيرة. ومن المرجح أن يرتبط البحث المستمر بتحسين العمر التشغيلي للجهاز، ومنع الحساسية المتقاطعة للمواد الكيميائية المنقولة جواً الشائعة الأخرى، وتطوير طرق التصنيع الضخم للتبني التجاري.

يعتمد هذا التقرير الإخباري على تغطية أصلية من موقع phys.org.