- Các kỹ sư ở Australia đã phát triển một cảm biến siêu nhỏ có khả năng phát hiện khí amoniac, nhằm hỗ trợ lưu trữ khí hydro an toàn hơn và có thể tích hợp vào các thiết bị chẩn đoán y tế chuyên dụng.

Cảm biến đơn giản nhưng hiệu quả cao này là kết quả hợp tác của các nghiên cứu viên Đại học RMIT (Australia), Đại học Melbourne và Trung tâm xuất sắc về Hệ thống nano quang tử (TMOS) thuộc Hội đồng Nghiên cứu Australia (ARC). Đề tài nghiên cứu này đã được trình bày trong bài báo khoa học đăng trên một trong những tạp chí hàng đầu về khoa học vật liệu mang tên Advanced Functional Materials (tạm dịch: Vật liệu chức năng tiên tiến).

Tiếp xúc với amoniac nồng độ cao vượt ngưỡng có thể dẫn đến bệnh phổi mãn tính và tổn thương nội tạng không thể phục hồi.

Ước tính có khoảng 235 triệu tấn amoniac được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm nhằm đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp. Và với việc amoniac được quảng bá là một trong những phương pháp hiệu quả để lưu trữ hydro trong quá trình sản xuất nhiên liệu xanh thì sản lượng amoniac dự kiến sẽ còn tăng trong vài năm tới.

Rò rỉ khí amoniac trong quá trình vận chuyển cũng như vận hành nhà máy tiểm ẩn nhiều rủi ro và có thể gây nguy hiểm chết người. Do đó, khả năng phát hiện amoniac một cách hiệu quả và đáng tin cậy là tối cần thiết nhằm đảm bảo an toàn.

Tiếp xúc với amoniac có thể gây hại cho sức khỏe. Tuy nhiên khí này cũng được tìm thấy trong hơi thở của con người và có thể được sử dụng như là “dấu ấn sinh học” (biomarker) quan trọng để chẩn đoán nhiều bệnh như các rối loạn liên quan đến thận và gan.

Cảm biến của nhóm nghiên cứu được chứng minh là có thể phát hiện được amoniac với hàm lượng rất nhỏ nên nó có tiềm năng được thiết kế để phát hiện amoniac trong hơi thở nhằm cảnh báo bác sĩ về các rối loạn sức khỏe tiềm tàng.

Cách hoạt động của cảm biến

Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Nitu Syed, cho biết cảm biến này gồm màng oxit thiếc trong suốt và siêu mỏng, có thể dễ dàng phát hiện amoniac với hàm lượng nhỏ hơn nhiều so với các công nghệ tương tự.

Tiến sĩ Syed nói: “Thiết bị của chúng tôi hoạt động giống như một ‘chiếc mũi’ điện tử có khả năng phát hiện ngay cả lượng amoniac nhỏ nhất một cách hiệu quả. Cảm biến cũng có thể phân biệt giữa amoniac và các loại khí khác với độ chính xác cao hơn so với các công nghệ khác”.

Sự hiện diện của amoniac trong không khí làm thay đổi điện trở của màng oxit thiếc trong cảm biến, nghĩa là nồng độ amoniac càng cao thì sự thay đổi điện trở của thiết bị càng lớn.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm với cảm biến trong một thiết bị được thiết kế đặc biệt nhằm kiểm tra khả năng phát hiện khí amoniac ở các nồng độ (5 - 500 ppm) và điều kiện khác nhau, bao gồm cả nhiệt độ. Họ cũng kiểm tra tính chính xác của thiết bị khi phân biệt amoniac với các loại khí khác, bao gồm CO2 và metan.

Tiến sĩ Chung Nguyen, nghiên cứu viên gốc Việt đang làm việc tại RMIT (Australia) và là tác giả chính của bài báo khoa học, cho biết cảm biến thu nhỏ này đem đến một giải pháp an toàn và nhỏ gọn hơn để phát hiện khí độc so với các kỹ thuật hiện có.

“Những phương pháp phát hiện amoniac hiện tại cho ra các phép đo chính xác nhưng đòi hỏi phải có thiết bị phòng thí nghiệm đắt tiền với kỹ thuật viên có trình độ, đồng thời cũng cần nhiều mẫu thử và phải chuẩn bị cầu kỳ”, Tiến sĩ Chung nhận định.

“Quá trình này thường tốn thời gian và không cơ động do các thiết bị có kích thước cồng kềnh. Ngoài ra, để sản xuất ra cảm biến phát hiện amoniac hiện nay cần các quy trình tốn kém và phức tạp mới có thể chuẩn bị được các lớp vật liệu có độ nhạy cho việc chế tạo cảm biến”.

Cũng theo Tiến sĩ Chung, cảm biến mới của nhóm có thể phân biệt ngay lập tức mức độ an toàn hay nguy hiểm của amoniac trong môi trường.

Ông nói: “Kỹ thuật gắn oxit thiếc này có thể được nhân rộng, do vậy sẽ đem đến cơ hội sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý hơn”.

Cách chế tạo cảm biến

Đồng trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Ylias Sabri thuộc Khoa Kỹ thuật Đại học RMIT (Australia), cho biết nhóm đã sử dụng một kỹ thuật có chi phí thấp và có thể dễ dàng nhân rộng để gắn oxit thiếc siêu mỏng lên vật liệu nền. Kỹ thuật này khả thi ngay cả trên vật liệu dẻo – vốn thường gây khó khăn cho các phương pháp chế tạo khác.

“Chúng tôi trực tiếp thu được màng oxit thiếc từ bề mặt thiếc nóng chảy ở nhiệt độ 280 độ C. Loại màng này mỏng hơn giấy 50.000 lần”, Tiến sĩ Sabri nói.

“Phương pháp của chúng tôi chỉ yêu cầu một bước tổng hợp duy nhất mà không cần đến bất kỳ dung môi độc hại, môi trường chân không hoặc dụng cụ cồng kềnh và đắt tiền nào”.

Bước tiếp theo

Nhóm mong muốn hợp tác với các đối tác trong ngành để tiếp tục phát triển và chế tạo phiên bản cảm biến tiếp theo nhằm tối ưu khả năng hoạt động của loại cảm biến này. “Phương pháp của chúng tôi tương thích với các quy trình sản xuất hiện có trong ngành công nghiệp silicon, do đó phù hợp để sản xuất hàng loạt”, nhóm nghiên cứu chia sẻ.

Phạm Lê