Exploration of High-Performance Materials for Toxic Gas Detection via Quantum-Computational Methods

رصد الغازات السامة له أهمية كبيرة لضمان سلامة البيئة ومراقبة العمليات الصناعية وحماية الصحة العامة. تمثل العديد من الغازات السامة مثل أول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين وأكاسيد النيتروجين مخاطر كبيرة، وذلك نظرًا لعدم قابليتها للرصد بالعين المجردة ولقدرتها على التسبب في مشاكل صحية و أضرار بيئية خطيرة. تواجه التقنيات الحالية لاستشعار الغازات قيودًا في الحساسية والانتقائية والمتانة، مما يستلزم اكتشاف مواد جديدة عالية الأداء يمكنها استشعار هذه الغازات بكميات ضئيلة وبكفاءة. يهدف هذا المشروع إلى الاستفادة من التقنيات المتقدمة للحسابات الكمومية وذلك لتسريع اكتشاف وتطوير مواد جديدة لأجهزة استشعار الغازات السامة. توفر المحاكاة المعتمدة على الحسابات الكمومية مجموعة فعالة من الأدوات للتنبؤ الدقيق بالتفاعلات بين جزيئات الغازات السامة والمواد المرشحة لاستشعارها على المستويين الذري والإلكتروني، مما يتيح لنا الفحص السريع لخصائص هذه المواد واختيار الأنسب منها قبل عملية الصنع والتحقق التجريبي. استخدام نظرية الكثافة الوظيفية يتيح لنا استكشاف كمية متنوعة من المواد، وذلك عن طريق دراسة خصائصها الأساسية مثل: طاقات الامتزاز للغازات وخصائص نقل الشحنات الكهربائية ومدى تفاعلية سطح المادة المستشعرة مع الغاز السام. الهدف من هذا المشروع هو تحديد مواد عالية الأداء والتي تتميز بحساسية وانتقائية واستقرار للكشف عن مجموعة متنوعة من الغازات السامة. نهدف إلى وضع مبادئ تصميم لأجهزة استشعار الجيل القادم من خلال استخدام الفحص الحسابي مع تحليل الخصائص الكهربائية. ستؤدي نتائج هذا البحث إلى اكتشاف و تطوير أجهزة استشعار فعالة من حيث الكفاءة و التكلفة والعمل في ظروف بيئية متنوعة، مما يساهم في تحسين معايير السلامة والصحة على مستوى العالم.

The detection of toxic gases is of critical importance for environmental safety, industrial monitoring, and public health. Many toxic gases, such as carbon monoxide, hydrogen sulfide, and nitrogen oxides, pose significant hazards due to their invisibility and potential to cause severe health issues or environmental damage. Current gas sensing technologies often face limitations in sensitivity, selectivity, and durability, necessitating the discovery of new, high-performance materials that can efficiently detect these gases in trace amounts. This project aims to leverage advanced quantum-computational techniques to accelerate the discovery and optimization of novel materials for toxic gas sensors. Quantum-based simulations provide a powerful toolkit for accurately predicting the interactions between toxic gas molecules and candidate sensor materials at the atomic and electronic levels, enabling rapid screening of material properties before experimental validation. The use of density functional theory (DFT) allows us to explore a vast material space, focusing on key properties such as gas adsorption energies, charge transport characteristics, and surface reactivity. The goal of this project is to identify high-performance materials with enhanced sensitivity, selectivity, and stability for detecting a range of toxic gases. By combining computational screening with analysis of electrical properties, we aim to establish design principles for next-generation gas sensors. The outcomes of this research would lead to the development of highly efficient and cost-effective sensors that operate under diverse environmental conditions, thus contributing to improved safety and health standards globally.