חיישן חדש מגלה חומרי נפץ תוצרת בית מבוססי מימן על-חמצני

חוקר Sandia National Laboratories כריס ברתרטון בודק חיישנים זעירים במערך בדיקה, בו הוא חושף אותם לסביבות שונות ומודד את תגובתם כדי לראות כיצד הם מתפקדים. ברתרטון הוא החוקר הראשי בפרויקט שמטרתו לגלות סוג נפוץ של חומר נפץ תוצרת בית עם מימן על-חמצני. (Photo by Randy Montoya)

This post is also available in: English (אנגלית)

חוקר Sandia National Laboratories כריס ברתרטון בודק חיישנים זעירים במערך בדיקה, בו הוא חושף אותם לסביבות שונות ומודד את תגובתם כדי לראות כיצד הם מתפקדים. ברתרטון הוא החוקר הראשי בפרויקט שמטרתו לגלות סוג נפוץ של חומר נפץ תוצרת בית עם מימן על-חמצני. (Photo by Randy Montoya)
חוקר Sandia National Laboratories כריס ברתרטון בודק חיישנים זעירים במערך בדיקה, בו הוא חושף אותם לסביבות שונות ומודד את תגובתם כדי לראות כיצד הם מתפקדים. ברתרטון הוא החוקר הראשי בפרויקט שמטרתו לגלות סוג נפוץ של חומר נפץ תוצרת בית עם מימן על-חמצני.
(Photo by Randy Montoya)

אלבוקרק, ניו מכסיקו: מדענים במעבדות הלאומיות Sandia עובדים על שיטות גילוי חומרי נפץ שיגלו באופן אמין חומרי נפץ תוצרת בית, אך לא יופעלו על ידי חומרים רגילים כמו מימן על-חמצני בהם משתמשים בתרכובות אלו. מימן על-חמצני מצוי בחומרים בשימוש יומיומי החל בסבון, משחת שיניים וצבע לשיער ועד לאבקת כביסה, חומרי ניקוי שטיחים ומסירי כתמים, כפי שמדווח Defense-Update.

i-HLS Israel Homeland Security

חומרי נפץ מבוססי מימן על-חמצני מהוים אתגר כי הם מסוכנים, אבל יש כל כך הרבה מוצרי היגיינה אישית המכילים מימן על-חמצני ששיעור גילויי השווא הוא גבוה מאד," הסביר כריס ברותרטון, חוקר ראשי בפרויקט המחקר של Sandia על חיישנים המגיבים לחומרים כימיים. עבודתו מבוססת על טכנולוגיית "נגד כימי" (chemiresistor) שפותחה ב-Sandia לפני יותר מעשור על ידי החוקרים ג'יימס מרטין ודאג ריד. נגדים כימיים הם חיישנים לתרכובות אורגאניות נדיפות המבוססים על התנגדות חשמלית. חומרים אלו מאפשרים למשתמשים להתאים ולכוונן את טווח התגובה והרגישות של החיישנים בהתאם לצורך.

צוות המחקר במעבדה חוקר שיטות לפתח חיישן נייד, המסוגל לגלות חומר נפץ נפוץ תוצרת בית בשם תערובת Fox (דלק/מחמצן), המיוצר על ידי ערבוב מימן על-חמצני עם דלקים. הגלאי חייב להיות מסוגל לזהות מימן דו-חמצני בריכוזים שאינם מעלים חשדות גם לגבי חומרים נפוצים המכילים מימן על-חמצני.

פרויקט "קריירה מוקדמת מוכוונת מעבדת המחקר ופיתוח" (LDRD) הוכיח שהחיישן עשוי לזהות ריכוזים גבוהים יחסית של מימן על-חמצני ולהבחין בינם לבין חומר מפריע נפוץ כמו מים, הוא אמר. הצעד הבא, אמר ברתרטון, עשוי להיות עבודה עם שותף תעשייתי כדי לתכנן מערכת כוללת שעובדת מהר יותר ומאפשרת ייצור המוני.

הבחנה בין מימן על-חמצני ומים, המגלים התנהגות דומה בנגדים כימיים, היוותה אתגר עיקרי עבור החוקרים. המפתח לפתרון היה בחירת מולקולות מסוימות במטריצת פולימרים, כפי שהוצע על ידי המנטור הטכני של ברתראון ב-Sandia, המומחה לכימיה של פולימרים דייויד וילר. מולקולות אלו, כשהן נחשפות למימן על-חמצני, מגיבות באופן שונה מאשר כשהן נחשפות למים.

הרעיון הוא "להנדס" את הפולימר כדי שיהיה דומה ככל האפשר לחומר המטרה, תוך הסתמכות על הכלל מלימודי התואר הראשון ש"דומה ממיס דומה". למשל, אמר וילר, אם המטרה היא חומר שאינו פולארי מאד, תבחר פולימר עם קבוצות לא פולריות. אם לחומר המטרה יש פולאריות רבה, כמו למים, תפתח פולימרים שעשויים ליצור קשרי מימן עם מים.

החיישן הזעיר משתמש בפולימר ובשרשראות של חרוזי מתכת מוליכים זעירים. הפולימר מגיב כשהוא נחשף לחומר הנבדק. "ניסינו לכלול מולקולות מסוימות שיגיבו עם חומרי מימן על-חמצני," אמר ברתרטון.

חשיפה למים גם משנה את הפולימר, אבל הוא חוזר למצבו הקודם ברגע שמסירים את המים. אבל חשיפת הפולימר למימן על-חמצני היא בלתי הפיכה. "לכן ברגע שעשיתם זאת לפולימר, שיניתם אותו לתמיד," אמר ברתרטון. "במקום להשתמש בחיישן המאפשר שימוש חוזר, זה כמו מד מינון קרינה שאפשר לזרוק. " לפי ברתרטון הגלאי המוצע לא מגיב למשחת שיניים וחומרים נפוצים אחרים המבוססים על מימן על-חמצני, מה שהופך אותו ליעיל יותר בבדיקות נוסעים ביישומי אבטחת שדות תעופה.

החיישן אינו פתרון קסם, אך ברתרטון אמר שהטכנולוגיה הציגה תוצאות טובות. "יש לה כמה אתגרים שצריך להתגבר עליהם, אבל אנו סבורים שכדאי להמשיך לרמה הבאה," הוא אמר. למשל, יש צורך להפחית את זמן התגובה הכימית, כדי שיהיה אפשר להשתמש בחיישן בנקודות בדיקה. החיישן צריך גם להיות משולב ביחידה גדולה יותר הכוללת ציוד לאיסוף דגימת חומר לצורך בדיקה. "טכנולוגיה זו תהיה קלה יותר לשילוב עם טכנולוגיות אחרות מבלי להשפיע עליהן באופן משמעותי," הוא אמר. גלאים כאלו, הקיימים כבר כיום בשוק, הם בגודל שואב אבק ידני קטן. ציוד העזר ישאב דגימת אוויר והגלאי יבדוק אותה.

"תצטרכו לדעת מאיפה באו האדים," אמר ברתרטון, "זה לא מספיק לפתוח את כל החדר ולשאוב פנימה את כל האוויר ולהגיד, 'יש מימן על-חמצני היכן שהוא בחדר, תיזהרו'. מה שהיינו רוצים זה לסרוק מזוודה, או לעבוד במשולב עם תהליך תעשייתי כלשהו כך שנדע שזהו המקור והוא מעל הרמה שאנו מוכנים לסבול".

i-HLS Israel Homeland Security

אף כי חבילת החיישן יכולה לחפש סוג אחד של אדים, היצרן יכול להוסיף אותה ליחידה המגלה מספר חומרים. בדרך זו, נקודת הבדיקה תוכל לכלול מערכת חישה אחת במקום יחידות נפרדות לכל חומר חשוד, הציע ברתרטון.