Tiến sĩ người Việt làm cảm biến phát hiện khí amoniac

Tiến sĩ Nguyễn Chung, 35 tuổi, nghiên cứu viên gốc Việt tại RMIT (Australia), tác giả chính, là thành viên người Việt duy nhất cùng với các nhà khoa học từ 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) thực hiện nghiên cứu.

Cảm biến gồm màng oxit thiếc trong suốt và siêu mỏng, có thể dễ dàng phát hiện amoniac ở mức độ nhỏ hơn nhiều so với các công nghệ tương tự. Thiết bị hoạt động giống như một "chiếc mũi" điện tử có khả năng phát hiện cả khi lượng amoniac nhỏ nhất. 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.

TS Nguyễn Chung cho hay ý tưởng nghiên cứu ra đời vào đầu năm 2022. Dự án mất khoảng gần một năm mới hoàn thành hầu hết các phép đo vào tháng 5/2023. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí hàng đầu về khoa học vật liệu Advanced Functional Materials hồi tháng 11/2023.

TS Nitu Syed, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết 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. Kết quả chứng minh, cảm biến này có thể phát hiện được amoniac với hàm lượng rất nhỏ nên có thể được thiết kế để phát hiện amoniac trong hơi thở nhằm cảnh báo về các rối loạn sức khỏe tiềm tàng.

Để chế tạo cảm biến, 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. Nhóm 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. "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", TS Ylias Sabri, Khoa Kỹ thuật Đại học RMIT (Australia), mô tả.

Tiến sĩ Nguyễn Chung cho biết, cảm biến thu nhỏ này đem đến 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 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. 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 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.

Cảm biến mới của nhóm có thể phân biệt ngay lập tức mức độ an toàn hay nguy hiểm của amoniac trong môi trường. "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", anh nói.

Anh cho biết, nhóm gặp khó khăn khi mô tả tính chất vật liệu vì bản chất siêu mỏng của vật liệu (oxit thiếc của nhóm chỉ dày 2 nanomet). Việc thiết lập hệ thống đo lường khí đáng tin cậy cũng là một thách thức. Tuy nhiên với sự hợp tác của nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia từ Đại học RMIT và Đại học Melbourne giúp nhóm vượt qua thách thức.

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 nhóm tương thích với các quy trình sản xuất hiện có trong ngành công nghiệp silicon, do đó phù hợp để sản xuất hàng loạt.

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. Amoniac được quảng bá là một trong những phương pháp hiệu quả để lưu trữ hydro trong quá trình sản xuất nhiên liệu xanh, theo đó sản lượng amoniac dự kiến sẽ còn tăng trong vài năm tới.

Tuy nhiên 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. Việc rò rỉ khí amoniac trong quá trình vận chuyển cũng như vận hành nhà máy tiềm 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. 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.

Tiến sĩ Nguyễn Chung nhận bằng thạc sĩ kỹ thuật hóa học từ Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh năm 2014. Anh hiện là nghiên cứu viên tại Khoa Kỹ thuật, Đại học RMIT, lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hóa học kim loại lỏng và tổng hợp vật liệu 2D để sử dụng trong các ứng dụng điện tử và cảm biến.