Vương quốc Anh phát triển cảm biến mới có thể phát hiện formaldehyde vi lượng
Gần đây, Vương quốc Anh đã phát triển một cảm biến làm từ “khói đông lạnh” có thể nhanh chóng phát hiện ra formaldehyde với lượng vô cùng nhỏ, hơn nữa độ nhạy của nó cao hơn hầu hết các cảm biến chất lượng không khí trong nhà.
Formaldehyde là một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi phổ biến, và là chất gây ung thư đã được biết đến. Formaldehyde có thể được phát hiện trong các đồ gia dụng như đồ nội thất làm bằng gỗ tổng hợp (như ván sợi mật độ trung bình), giấy dán tường, sơn, đồ chơi và một số loại vải tổng hợp. Nếu nồng độ formaldehyde trong nhà quá cao có thể gây ra các triệu chứng như chảy nước mắt, cay mắt, rát cổ họng, mệt mỏi, khó thở… Nồng độ formaldehyde cao còn có thể gây ra bệnh hen suyễn, thậm chí là ung thư.
Theo báo cáo năm 2019 của chiến dịch Ngày Không khí sạch (Clean Air Day), cứ năm ngôi nhà ở Anh thì có một ngôi nhà có nồng độ formaldehyde cao, và 13% trong số đó vượt quá mức khuyến nghị do Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đưa ra. Vì vậy, việc phát triển một máy kiểm tra độc tính tốt hơn càng trở nên quan trọng.
Trung tâm Nghiên cứu Graphene của Đại học Cambridge và Đại học Warwick ở Anh quốc đã cùng nhau phát triển một cảm biến làm từ vật liệu có độ xốp cao “aerogel”. Thông qua các hình dạng hoặc kiểu thức lỗ được thiết kế chính xác, cảm biến này có thể phát hiện nồng độ formaldehyde vô cùng thấp và các loại khí nguy hiểm khác ở nhiệt độ phòng.
Các cảm biến làm từ loại aerogel này không chỉ cần công suất rất nhỏ (130 microwatt), mà còn có thể chế tạo thành các thiết bị đeo dùng trong chăm sóc y tế. Những phát hiện này đã được công bố trên tập san “Khoa học” vào tháng Hai năm nay.
Cảm biến aerogel này chủ yếu được làm từ graphene xốp ba chiều (3D) hoặc graphene oxit dạng khử (rGO). Ngoại trừ nguyên tử carbon, hơn 99% aerogel là không khí, có độ xốp rất cao và cấu trúc mở, cho phép các chất khí đi qua dễ dàng. Hơn nữa, chúng vô cùng nhẹ và có độ dẫn nhiệt rất thấp, được sử dụng làm nguyên vật liệu trong hàng không vũ trụ.
Aerogel còn được gọi là “khói đông lạnh” vì bề ngoài của nó trông giống như khói đặc, có lúc nửa trong suốt, có lúc hoàn toàn trong suốt.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu làm nóng một hỗn hợp làm từ graphene (một dạng carbon hai chiều), và sử dụng máy in 3D để in bảng mạch. Sau đó, sản phẩm in được đông khô và làm sạch. Cuối cùng, các sợi dây tóc được đặt vuông góc với điện cực phía dưới để tiếp xúc và dẫn điện tốt hơn.
Sau đó, các nhà thí nghiệm đưa aerogel graphene đã in vào ethanol chứa dung dịch kim loại gồm đồng clorua (CuCl2), niken clorua (NiCl2) hoặc cobalt clorua (CoCl2), cho phép kim loại bám dính vào bề mặt keo aerogel. Cuối cùng, những vật phẩm dư thừa được rửa bằng hexane, sao cho một lớp chấm lượng tử bán dẫn oxit kim loại được gắn vào bề mặt aerogel. Điều này cho phép cảm biến hấp thụ nhanh các khí khuếch tán rất nhanh trong không khí.
Các nhà nghiên cứu cho biết, lý do chọn ba kim loại này là vì các oxit kim loại này được sử dụng rộng rãi trong quan trắc cảm biến khí. Hơn nữa, việc sử dụng cồn, một dung môi hữu cơ có độ căng yếu, là để ngăn không cho aerogel được in ban đầu bong ra khỏi bề mặt bảng mạch.
Các nhà nghiên cứu cũng cho biết, họ đã chọn công nghệ in 3D để in các vật thể cảm biến ở nhiều tỷ lệ nhằm tạo điều kiện cho việc tinh chỉnh cấu trúc aerogel. Đồng thời, việc này có thể thu được các kích thước bổ sung và các tính năng có thể phân biệt, cho phép cảm biến phát hiện các loại khí khác nhau, như thế nó dễ điều chỉnh hơn.
Sau nhiều thử nghiệm và điều chỉnh, cuối cùng nhóm nghiên cứu đã chế tạo được cảm biến aerogel có thể thực hiện “phát hiện có độ nhạy cao” và “xác định tức thời” formaldehyde và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác ở nhiệt độ phòng trong vài giây. Cảm biến aerogel có thể phát hiện formaldehyde ở nồng độ thấp tới 8ppb, tương đương 0,4% mức phơi nhiễm an toàn tại nơi làm việc ở Anh quốc.
Trong quá trình thí nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với không khí của aerogel, đó là độ xốp bề mặt của cấu trúc in, đường kính dây tóc và thứ tự mảng bề mặt. Dây tóc càng mỏng thì độ xốp bề mặt càng lớn, hiệu quả cảm biến và tốc độ nhận biết khí càng cao.
Các nhà nghiên cứu cho biết, công nghệ này có thể được sử dụng để phát triển các cảm biến phát hiện các hợp chất hữu cơ khác.
Đồng tác giả của nghiên cứu này, Giáo sư Julian Gardner từ Đại học Warwick nói với phòng tin tức của Đại học Cambridge, “Đại học Warwick đang phát triển một nền tảng đa cảm biến chi phí thấp. Nền tảng đó sẽ tích hợp các vật liệu aerogel mới này và kết hợp với các thuật toán để phát hiện các chất hữu cơ dễ bay hơi khác nhau.”
Giáo sư Tawfique Hasan, Viện sĩ Học viện Churchill, thuộc Đại học Cambridge, kiêm giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Graphene, cho biết: “Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như formaldehyde dù có nồng độ thấp nhưng tiếp xúc trong thời gian dài có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Nhưng cảm biến hiện tại không có độ nhạy hoặc độ chọn lọc để phân biệt giữa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có ảnh hưởng khác nhau đến sức khỏe.”
Ông Tawfique Hasan cũng cho biết: “Các máy dò hợp chất hữu cơ dễ bay hơi hiện tại chỉ có thể thu được một phần nhỏ của nồng độ tổng trong không khí. Còn cảm biến tức thời mà chúng tôi phát triển có thể nhanh chóng phát hiện nồng độ rất thấp của các hợp chất hữu cơ, cho phép các gia đình và doanh nghiệp biết chính xác chất lượng không khí, và bất kỳ rủi ro sức khỏe tiềm ẩn nào.”
Ông Trần Trác (Zhuo Chen), tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: “Cảm biến khí truyền thống cần được làm nóng khi sử dụng, nhưng chúng tôi đã thiết kế cảm biến khí bằng cách sử dụng vật liệu có độ xốp cao làm bộ phận cảm biến, để nó có thể hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng, không cần làm nóng. Điều này giúp mức tiêu thụ điện năng của nó thấp hơn khoảng 10 ~ 100 lần so với các cảm biến khác.”
