Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã chế tạo được cảm biến hóa học giá rẻ từ các ống nano cácbon bị thay đổi tính chất hóa học, cho phép điện thoại thông minh hoặc các thiết bị không dây khác phát hiện ra một lượng nhỏ khí thải độc hại.

Sử dụng cảm biến, nhóm nghiên cứu hy vọng, sẽ thiết kế được thẻ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) giá rẻ, trọng lượng nhẹ để bảo vệ sự an toàn của cá nhân và đảm bảo an ninh. Những người lính trên chiến trường có thể đeo loại thẻ này để phát hiện nhanh sự hiện diện của vũ khí hóa học (như: khí độc thần kinh hoặc các chất gây ngạt), và những người làm việc xung quanh các hóa chất độc hại dễ bị rò rỉ cũng có thể sử dụng thẻ này.

Cảm biến là mạch tích hợp các ống nano cácbon, thường có tính dẫn điện cao nhưng được bọc trong vật liệu cách điện để duy trì chúng ở trạng thái điện trở cao. Khi tiếp xúc với một số loại khí độc, vật liệu cách điện tách rời nhau và các ống nano có thể dẫn điện tốt hơn. Như vậy, tín hiệu có thể được truyền qua điện thoại thông minh bằng công nghệ truyền thông trường gần (NFC) cho phép các thiết bị truyền tải dữ liệu giữa các khoảng cách ngắn. Các cảm biến này đủ nhạy để phát hiện khí độc mục tiêu ở mức gần 10 phần triệu trong khoảng 5 giây.

Phủ ống nano

Trong những năm gần đây, phòng thí nghiệm của GS Timothy Swager - Trưởng nhóm nghiên cứu đã chế tạo được cảm biến giá rẻ, không dây gọi là điện trở hóa học, có khả năng phát hiện thịt hỏng và hoa quả chín trong số các sản phẩm khác. Tất cả được thiết kế bằng các ống nano cácbon bị biến đổi hóa học, vì thế, chúng có khả năng chịu được sự thay đổi dòng điện khi tiếp xúc với hóa chất mục tiêu.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã thiết kế cảm biến rất nhạy với các hóa chất có “ái lực điện tử” hay ưa điện tử, thường độc hại và được sử dụng làm vũ khí hóa học. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại polime siêu phân tử kim loại, vật liệu làm bằng kim loại liên kết với các chuỗi polime. Polime đóng vai trò như một lớp cách nhiệt, quấn quanh mỗi cảm biến trong số hàng chục cảm biến của các ống nano cácbon đơn vách, tách chúng và duy trì cho chúng mức điện trở cao. Nhưng các chất ưa điện tử làm cho polime tách rời nhau, cho phép các ống nano cácbon kết hợp với nhau một lần nữa, làm tăng độ dẫn điện.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã đúc vật liệu ống nano/polime trên các điện cực vàng và cho các điện cực tiếp xúc với diethyl chlorophosphate, chất kích ứng da và gây phản ứng tương tự như khí độc. Sử dụng thiết bị đo dòng điện, nhóm đã quan sát thấy độ dẫn điện tăng 2.000% sau 5 giây tiếp xúc. Sự gia tăng độ dẫn điện tương tự được quan sát thấy ở một lượng nhỏ chất ưa điện tử khác như thionyl clorua (SOCl2), chất phản ứng tương tự như trong các chất gây ngạt. Độ dẫn điện thấp hơn đáng kể để đáp ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thông thường và việc tiếp xúc với hầu hết các hóa chất không nằm trong mục tiêu đã làm tăng điện trở suất.

Việc tạo ra polime là hoạt động cân bằng tinh tế nhưng quan trọng cho thiết kế. Như polime, vật liệu cần phải giữ cho các ống nano cácbon tách rời nhau. Nhưng khi tách rời, các monome đơn lẻ của vật liệu cần phải tương tác yếu hơn để các ống nano tái kết hợp.

Điện trở có thể đọc được

Để xây dựng hệ thống không dây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo thẻ NFC được kích hoạt khi điện trở thấp hơn ngưỡng nhất định.

Điện thoại thông minh truyền các xung ngắn của trường điện từ cộng hưởng với thẻ NFC ở tần số vô tuyến, sinh ra dòng điện chuyển tiếp thông tin đến điện thoại. Nhưng điện thoại thông minh không thể cộng hưởng với các thẻ có điện trở cao hơn 1 ohm.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu ống nano/polime cho ăng ten của thẻ NFC. Khi tiếp xúc với SOCl2 ở mức 10 phần triệu trong vòng 5 giây, điện trở của vật liệu đã giảm đến mức điện thoại thông minh kích hoạt thẻ phát ra âm thanh. Về cơ bản, đây là chỉ số để xác định sự hiện diện của khí độc.

Theo các nhà nghiên cứu, hệ thống không dây này có triển vọng được sử dụng để phát hiện sự cố rò rỉ trong pin Li-SOCl2 (lithium thionyl clorua) và có thể được sử dụng trong thiết bị y tế, hệ thống báo cháy và hệ thống quân sự.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ thử nghiệm cảm biến trên các hóa chất trực tiếp bên ngoài phòng thí nghiệm, có khả năng phân tán rộng và khó phát hiện hơn đặc biệt là khi xuất hiện với liều lượng thấp. Trong tương lai, các nhà khoa học hy vọng, sẽ phát triển ứng dụng di động để đo đạc một cách tinh vi cường độ tín hiệu của thẻ NFC: Những khác biệt về tín hiệu có nghĩa là nồng độ khí độc cao hoặc thấp hơn.

Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam