Với mục đích cho ra đời các máy dò khí độc đơn giản và tiện dụng, mới đây các nhà khoa học tại Học viện công nghệ Massachusetts (MIT, Hoa Kỳ) vừa phát minh một loại cảm biến (sensor) mới dễ chế tạo nhưng lại làm việc vô cùng hiệu quả. Để có một cảm biến như vậy người ta chỉ việc lấy một chiếc bút chì có lõi làm từ các ống nano carbon nén sẵn rồi nối liền các điện cực bằng vàng cực mỏng được in trên giấy.
Như chúng ta đã biết, ngày nay gas hóa lỏng hay các hóa chất dạng khí nén được sử dụng ngày một nhiều trong đời sống thường nhật và công nghiệp. Một vài trong số chúng dễ bị rò rỉ và có thể gây nguy hiểm tới người sử dụng. Mặc dù khí đốt sinh hoạt (vốn không mùi) được trộn thêm phụ gia tạo mùi cho người dùng dễ nhận biết, nhưng không phải lúc nào nó cũng hiệu quả và khi ấy tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra. Với mong muốn tạo ra một thiết bị nhận biết khí độc nhỏ gọn, đơn giản, và có độ nhạy cao, nhóm nghiên cứu đã xem xét ý tưởng về cảm biến vẽ từ bút chì làm bằng nano carbon.
Thực ra ý tuởng về một loại cảm biến dựa trên ống nano carbon không phải là mới, từ lâu người ta đã cố gắng sử dụng nó trong các máy phát hiện chất độc hóa học. Nguyên tắc làm việc của nó có thể được mô tả ngắn gọn như sau: khi đưa cảm biến có các ống nano carbon vào môi trường nó sẽ hấp thụ các phân tử chất độc. Do các ống nano carbon dẫn điện nên khi bị pha tạp chất độc, nó sẽ cản trở dòng electron chạy qua, nói cách khác các phân tử chất độc làm tăng điện trở của cảm biến. Vì thế khi nối cảm biến vào hai đầu một điện cực, người ta có thể xác định độ tăng điện trở là bao nhiêu, từ đó chỉ ra nồng độ khí độc nếu nó xuất hiện trong môi trường với độ nhạy rất cao. Tuy nhiên, để tạo ra các cảm biến kiểu như vậy, người ta phải hòa tan các ống nano vào một dung môi đặc biệt như diclobenzen (C6H4Cl2). Sẽ không có gì phải chú ý nếu bản thân dung môi này không phải là một chất gây hại với con người.
Để giải quyết vấn đề này, giáo sư Timothy Swager cùng các cộng sự đã đề xuất phương án thay thế C6H4Cl2 bằng cách nén chặt các ống nono carbon với nhau để tạo thành một cấu trúc rắn có dạng kiểu graphite (các bạn muốn hiểu rõ hơn về các cấu trúc thù hình này của carbon có thể tham khảo ở đây). Sau đó họ đưa khối chất tạo được vào làm lõi của những chiếc bút chì bình thường.
Như đã nói ở trên, mỗi cảm biến khí độc còn phải cần các điện cực. Để nó làm việc hiệu quả thì nhóm nghiên cứu đã in các vạch điện cực liên tiếp làm từ những lớp vàng siêu mỏng trên giấy. Do vàng có độ dẫn điện rất cao cùng khả năng chống oxi hóa tốt nên cảm biến dạng này có thể bảo quản lâu dài mà vẫn làm việc cực nhạy. Mỗi lần cần sử dụng, người ta chỉ việc lấy bút chì vẽ các đường nối các điện cực với nhau rồi đưa vào môi trường. Sau khi có mẫu, họ sẽ nối chúng với một mạch điện có sẵn để đo điện trở của cảm biến, từ đó đưa kết luận về mức độ khí độc có trong môi trường. Được biết, khi sử dụng cảm biến mới của MIT trong môi trường thử nghiệm đầu tiên với khí amoni (NH3) đã cho kết quả rất ấn tượng.
Quá trình thực tế cũng cho thấy những tấm giấy phẳng được sử dụng sẽ làm cho độ nhạy của sensor tốt hơn là khi nó bị biến dạng. Theo nhóm nghiên cứu, ưu điểm của loại cảm biến mới là nó không độc, có độ bền cao và quan trọng nhất là giá thành của nó rất cạnh tranh so với các cảm biến truyền thống.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tại MIT dự định thay thế các lõi bút chì làm từ ống nano carbon bằng các lõi kim loại hoặc vật liệu polyme đặc biệt. Họ cũng có kế hoạch mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến với các loại chất độc khác.
Mời các bạn xem video dưới đây để rõ thêm chi tiết về loại cảm biến mới này:
Nguồn: MIT
