Green Synthesis of Pd-Bi 2 O 3 Nanostructures by Azadirachta indica leaves extract for Selective and Stable Gas Sensing Performance

تعد مراقبة جودة الهواء بمثابة حارس صامت للحياة الحديثة، حيث تعتمد على أنوف إلكترونية دقيقة يمكنها استنشاق الغازات الخطرة قبل وقت طويل من تحولها إلى تهديد لصحة الإنسان. وتعتمد هذه الأجهزة غالباً على فئة من المواد تسمى أشباه الموصلات من أكاسيد المعادن. تخيل كتلة صلبة من مادة توصل الكهرباء بشكل ضعيف في الحالة العادية، ولكن عندما تلتقي بغاز معين، تتغير قدرتها على نقل التيار الكهربائي بشكل كبير. هذا التحول في المقاومة الكهربائية هو الإشارة التي تخبر الجهاز: "هناك شيء ما هنا". لعقود من الزمن، حاول العلماء جعل هذه المستشعرات أكثر حساسية، وأسرع، وقادرة على العمل في درجات حرارة منخفضة لتوفեր الطاقة. وقد كان أحد العقبات الرئيسية هو إيجاد طريقة لتصنيع هذه المواد دون استخدام مواد كيميائية قاسية، مع جعلها انتقائية بما يكفي للتمييز بين نفخة هواء غير ضارة وتسرب سام.

في دراسة حديثة، واجه الباحثون هذه التحديات من خلال ابتكار نوع جديد من مواد الاستشعار باستخدام طريقة تحاكي الطبيعة. فبدلاً من الاعتماد على المواد الكيميائية الصناعية السامة، لجأوا إلى أوراق شجر النيم، وهو نبات معروف على نطاق واسع بخصائصه الطبية. استخدم الفريق، بقيادة علماء من مؤسسات في الهند والإمارات العربية المتحدة وكوريا الجنوبية، مستخلصاً من أوراق النيم الطازجة لتوجيه عملية إنشاء هياكل مسامية دقيقة مصنوعة من أكسيد البزموت، وهو مركب معدني. ولجعل هذه الهياكل أكثر فعالية، أضافوا كميات ضئيلة من البالاديوم، وهو معدن ثمين معروف بقدرته على تسريع التفاعلات الكيميائية. وكانت النتيجة مادة هجينة يمكنها اكتشاف عدة غازات مختلفة، بما في ذلك ثاني أكسيد النيتروجين، والهيدروجين، وأول أكسيد الكربون، وغاز البترول المسال، بدقة ملحو ظة.

بدأت العملية بتحضير بسيط: تم تنظيف أوراق النيم الطازجة، وغليها في الماء، ثم تصفيتها لإنشاء سائل أخضر غني بالمركبات الطبيعية. بعد ذلك، خُلط هذا السائل مع محاليل كيميائية تحتوي على البزموت والبالاديوم. وُضع الخليط في وعاء مغلق وسُخن، وهي عملية سمحت للمركبات الطبيعية في مستخلص الأوراق بالعمل كمثبت وموجه في آن واحد، مما ساهم في تشكيل نمو البلورات أثناء تكوينها. وعندما فحص الباحثون المنتج النهائي تحت مجاهر قوية، رأوا مشهداً من الحبيبات الدقيقة المترابطة ذات سطح خشن ومسامي. هذا الهيكل الإسفنجي أمر بالغ الأهمية لأنه يوفر مساحة سطح شاسعة حيث يمكن لجزيئات الغاز أن تهبط وتتفاعل. وأكد التحليل أن البالاديوم لم يكن مجرد مستقر فوق أكسيد البزموت، بل كان موزعاً بشكل متساوٍ في جميع أنحاء المادة، مما خلق مادة موحدة خالية من أي شوائب غير مرغوب فيها.

عندما اختبر الفريق أداء هذا النوع الجديد من المواد كمستشعر للغاز، كانت النتائج مذهلة. فقد تمكن الجهاز من اكتشاف ثاني أكسيد النيتروجين، وهو ملوث ضار يوجد غالباً في عوادم المركبات، عند درجة حرارة تشغيل منخفضة جداً تبلغ 120 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، أظهر المستشعر حساسية تبلغ حوالي 73 بالمائة عند تعرضه لتركيز قدره 100 جزء في المليون من الغاز. وهذا أمر مهم لأن العديد من المستشعرات التقليدية تتطلب درجات حرارة أعلى بكثير لتعمل بفعالية، مما يستهلك طاقة أكثر ويمكن أن يؤدي إلى تلف الجهاز بمرور الوقت. كما أثبت المستشعر انتقائية عالية، مما يعني أنه يستطيع التمييز بين ثاني أكسيد النيتروجين والغازات الأخرى مثل الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون، والتي غالباً ما تضلل الأجهزة الأقل تطوراً.

تفاوت أداء المستشعر اعتماداً على نوع الغاز الذي يحاول اكتشافه، وهو سلوك طبيعي لهذا النوع من التكنولوجيا. فبالنسبة لغازات الاختزال مثل الهيدروجين، وأول أكسيد الكربون، وغاز البترول المسال، تطلب المستشعر درجات حرارة أعلى قليلاً للوصول إلى ذروة أدائه، تراوحت بين 140 إلى 170 درجة مئوية. ورغم هذه الاختلافات، استجاب الجهاز بسرعة وموثوقية لجميع الغازات التي تم اختبارها. فقد استغرق الأمر حوالي 240 ثانية للوصول إلى أقصى استجابة لثاني أكسيد النيتروجين، وحوالي 410 ثوانٍ للتعافي بمجرد إزالة الغاز. أما بالنسبة للهيدروجين، فقد كانت الاستجابة أسرع، حيث استغرقت 141 ثانية فقط. ولاحظ الباحثون أن المستشعر حافظ على قدرته على اكتشاف هذه الغازات باستمرار على مدار 30 يوماً، محتفظاً بأكثر من 95 بالمائة من حساسيته الأصلية لثاني أكسيد النيتروجين. ويشير هذا الاستقرار طويل الأمد إلى أن المادة متينة ومقاومة لنوع التآكل والتمزق الذي يصيب المستشعرات الإلكترونية عادةً.

يكمن سر هذا النجاح في كيفية تفاعل البالاديوم مع أكسيد البزموت ومع الغازات نفسها. يعمل البالاديوم كحفاز، حيث يساعد في تكسير جزيئات الغاز إلى قطع أصغر وأكثر تفاعلية يمكنها التفاعل بسهولة مع سطح المستشعر. كما أنه يخلق نوعاً معيناً من الحاجز الكهربائي عند الواجهة بين المعدن والأكسيد، مما يضاعف الإشارة عند وجود غاز. وعندما يدخل غاز مؤكسد مثل ثاني أكسيد النيتروجين إلى المشهد، فإنه يسحب الإلكترونات بعيداً عن المادة، مما يسبب زيادة حادة في المقاومة الكهربائية. وعلى العكس من ذلك، عندما يصل غاز مختزل مثل الهيدروجين، فإنه يتفاعل مع الأكسجين الموجود على السطح ويطلق الإلكترونات مرة أخرى، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة. وتضمن الطبيعة المسامية للمادة، جنباً إلى جنب مع العمل التحفيزي للبالاديوم، حدوث هذه التفاعلات بكفاءة وسرعة.

يبرهن هذا العمل على إمكانية بناء مستشعرات غاز عالية الأداء باستخدام طرق صديقة للبيئة. فمن خلال استخدام مستخلص نباتي بسيط لتوجيه عملية التصنيع، تجنب الباحثون الحاجة إلى مواد كيميائية خطرة مع تحقيق مادة ذات خصائص هيكلية وإلكترونية ممتازة. إن المستشعر الناتج ليس حساساً وانتقائياً فحسب، بل هو أيضاً مستقر بما يكفي للاستخدام طويل الأمد في التطبيقات الواقعية. ومع تزايد الطلب على هواء أنقى وبيئات صناعية أكثر أماناً، توفر مواد مثل هذه مساراً واعداً للمستقبل، مما يثبت أن النهج المستوحى من الطبيعة يمكن أن يحل المشكلات الهندسية المعقدة. وتؤكد الدراسة أنه مع الجمع الصحيح بين المستخلصات الطبيعية والهندسة الدقيقة، يمكننا ابتكار أجهزة قوية ولطيفة على البيئة في آن واحد.