Cảm biến phát hiện khí amoniac hiệu suất cao từ thiếc

Các nhà khoa học Úc đã phát triển một loại cảm biến siêu nhỏ có khả năng phát hiện khí amoniac, hỗ trợ cho việc lưu trữ khí hydro công nghiệp an toàn hơn hoặc tích hợp vào các thiết bị chẩn đoán y tế chuyên dụng.

Cảm biến amoniac từ thiếc gắn trên vật liệu dẻo. Ảnh: Seamus Daniel, RMIT

Cảm biến đơn giản nhưng hiệu quả này là kết quả hợp tác của Đại học RMIT, Đại học Melbourne và Trung tâm xuất sắc về Hệ thống nano quang tử (TMOS) thuộc Hội đồng Nghiên cứu Australia. Các nhà khoa học đã công bố cách thức chế tạo của mình trên tạp chí Advanced Functional Materials vào tháng 11/2023.

TS. Nitu Syed, trưởng nhóm nghiên cứu 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 (5–500 ppm). Amoniac trong không khí sẽ làm thay đổi điện trở của màng oxit thiếc trong cảm biến. Nếu nồng độ amoniac càng cao thì sự thay đổi điện trở của thiết bị càng lớn.

TS. Chung Nguyễn, nghiên cứu viên đang làm việc tại Đại học RMIT (Australia) và là tác giả thứ nhất của bài báo, 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, kỹ thuật viên có trình độ, và cần nhiều mẫu thử. Việc sản xuất ra những cảm biến phát hiện amoniac hiện nay cũng cần tới những quy trình tốn kém, phức tạp để chuẩn bị ra được các lớp vật liệu có độ nhạy cao.

Trong khi đó, cảm biến mới của nhóm sử dụng một kỹ thuật gắn oxit thiếc siêu mỏng lên vật liệu nền, thu trực tiếp từ bền mặt thiếc nóng chảy ở nhiệt độ 280 độ C. Loại màng này mỏng hơn giấy 50.000 lần.

Quan trọng hơn, phương pháp của các nhà khoa học Úc 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 đắt tiền nào. Do đó, chúng có thể được nhân rộng và đem đến cơ hội sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý hơn, TS. Chung nhận xét.

Đặc tính của oxit thiếc siêu mỏng (SnO2) thu được bằng kỹ thuật in cảm ứng. Ảnh: Chung Nguyen. et al, 2023

Hiện nay, các nhà khoa học Úc đang tìm cách hợp tác với các đối tác trong ngành công nghiệp để phát triển và chế tạo phiên bản tiếp theo nhằm tối ưu khả năng hoạt động của loại cảm biến này. Phương pháp của họ tương thích với các quy trình sản xuất hiện có trong ngành công nghiệp silicon.

Hiện nay, ước tính có khoảng 235 triệu tấn amoniac được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm để đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp. 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, các phương thức phát hiện amoniac một cách hiệu quả và đáng tin cậy là vô cùng cần thiết.

Ngoài ra, các cảm biến amoniac cũng có thể được ứng dụng trong y sinh, nhằm phát hiện amoniac trong hơi thở của người, vốn cũng là một chỉ dấu sinh học quan trọng để chẩn đoán nhiều bệnh liên quan đến thận và gan. Các cảm biến phát hiện amoniac ở nồng độ ppm hoặc thấp hơn có khả năng tích hợp vào các thiết bị chẩn đoán chuyên dụng.

Khoahocphattrien