Cảm biến quang nano giám sát an toàn của các tòa nhà

Các tòa nhà, công trình cũ rất cần được đánh giá, giám sát tính an toàn kết cấu. Một nghiên cứu mới đây đã đem lại một bước đột phá trong công nghệ cảm biến quang nano cho phép thực hiện phép đo đạc chính xác, theo thời gian thực về biến dạng và độ ổn định của kết cấu các tòa nhà.

Giải thích của nhóm nghiên cứu trong công bố về cơ chế của thiết bị. Ảnh: Nhóm nghiên cứu

Nghiên cứu ​​này được thực hiện dưới sự chủ trì của TS. Jae Sung Yoon, nhà nghiên cứu chính tại Trung tâm Nghiên cứu sản xuất và quang khắc nano thuộc Bộ phận nghiên cứu chế tạo nano, Viện Máy móc và Vật liệu Hàn Quốc (KIMM), trực thuộc Bộ KH&CN Thông tin và Truyền thông.

Nghiên cứu sinh Nguyễn Hoàng Minh thuộc Đại học khoa học và công nghệ Hàn Quốc (UST), hiện đang làm nghiên cứu viên tại KIMM và là tác giả thứ nhất của công bố đăng trên tạp chí ACS Applied Nano Materials.

Các kết quả của họ hứa hẹn sẽ định hình lại lĩnh vực đánh giá kết cấu, đem lại giải pháp tiết kiệm chi phí, hiệu quả về thời gian, đáp ứng yêu cầu chuyên môn chuyên biệt trong việc đánh giá an toàn các tòa nhà.

Lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Từ cảm hứng về màu sắc kết cấu quan sát được trong các hiện tượng tự nhiên như lông công và bướm morpho, nhóm đã phát triển thành công một cảm biến dạng màng tiên tiến kết hợp công nghệ nano. Khi áp dụng cho các tòa nhà hoặc cơ sở hạ tầng khác, màu sắc của màng phim sẽ thay đổi theo mức độ và bản chất của biến dạng của tòa nhà, giúp phát hiện chính xác và hiệu quả tình trạng lão hóa và hư hỏng của cấu trúc tòa nhà, qua đó đánh giá an toàn.

Công nghệ cảm biến quang học nano này phát hiện và chuyển đổi biến dạng cơ học thành những thay đổi màu sắc trực quan thông qua việc sử dụng các mẫu nano. Phương pháp này trực quan hóa biến dạng dưới dạng dữ liệu hình ảnh mà không cần tới kết hợp các bột màu, thuốc nhuộm hoặc nguồn điện bên ngoài.

Trước đó, một thách thức kỹ thuật lâu nay trong nghiên cứu về màu sắc ở cấp độ cấu trúc nano là sự thay đổi màu sắc tùy thuộc vào góc quan sát. Cụ thể, các tinh thể quang tử (Photonic crystals - PC) đã được sử dụng trong nhiều cảm biến hoặc chỉ báo khác nhau vì chúng thay đổi màu sắc khi biến dạng cơ học.

Tuy nhiên, màu sắc cũng thay đổi theo góc nhìn, tạo ra thách thức khi các tinh thể quang tử đóng vai trò là cảm biến hoặc chỉ báo. Do đó, cần phải bù đắp cho sự thay đổi màu sắc này do góc nhìn gây ra.

Mẫu nano mới này của nhóm nghiên cứu đã khắc phục điều đó, dựa trên cách sắp xếp các tinh thể quang tử theo cách tối ưu giúp duy trì màu sắc đồng nhất, do đó cho phép đo biến dạng chính xác bất kể góc quan sát bất kỳ nào.

Theo tóm tắt nghiên cứu công bố này, các tác giả đã đưa ra thiết bị trong đó sử dụng cả tinh thể quang tử nhạy ứng suất (SSPC) - đại lượng biểu thị mức độ biến dạng của vật thể do ngoại lực tác động, và tinh thể không nhạy ứng suất (SIPC).

Với các tinh thể quang học không nhạy với biến dạng, khi các hạt nano được sắp xếp rất sát nhau, lớp màng kim loại mỏng phía trên sẽ tạo thành một lớp liên tục. Ở cấu trúc này, khi thiết bị bị uốn cong hay kéo giãn, cấu trúc của tinh thể vẫn không thay đổi, nghĩa là màu sắc của nó không thay đổi khi có biến dạng.

Hình ảnh của công nghệ cảm biến quang nano này đã được đưa ra làm ảnh trang bìa của tạp chí ACS Applied Nano Materials.

Còn với tinh thể quang học nhạy với biến dạng, khi các hạt nano được xếp với khoảng cách rộng hơn, lớp màng kim loại không thể bao phủ liên tục, mà chỉ tạo thành các phần riêng lẻ trên mỗi hạt nano. Cấu trúc này cho phép tinh thể thay đổi cấu trúc khi bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi màu sắc dựa trên mức độ biến dạng.

Nhờ vậy, khi nhìn vào, người dùng có thể so sánh màu sắc của hai loại tinh thể. Nếu chỉ màu của tinh thể nhạy biến đổi, thì người sử dụng thiết bị sẽ nằm được rằng vật liệu đang bị biến dạng hay chịu các tác động (chẳng hạn như kéo hoặc uốn).

Nhóm nghiên cứu đã đạt được bước đột phá, được trang Phys bình luận là “đánh dấu thành tựu đầu tiên trên thế giới”, khi phát triển một công nghệ đảm bảo màu sắc nhất quán bất kể góc nhìn.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển giải pháp giám sát kết hợp AI để phân tích những thay đổi về màu sắc nhằm đánh giá những rủi ro tiềm ẩn.

Bằng cách đa dạng hóa các phương pháp đo lường thông qua các ứng dụng điện thoại thông minh, máy bay không người lái, robot, camera giám sát và các công nghệ tiên tiến khác, giờ đây kết quả của nhóm nghiên cứu có thể giúp phát hiện và phân tích thiệt hại và rủi ro trong các tòa nhà và công trình mà trước đây thường khó đánh giá.

Tận dụng công nghệ cốt lõi này, nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một loại màng có khả năng kiểm soát hiển thị màu sắc, cho phép ứng dụng làm một loại màng trong suốt chỉ hiển thị các hoa văn trong những điều kiện cụ thể. Bước phát triển này có tiềm năng đáng kể cho các ứng dụng chống hàng giả và màng bảo mật.

Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn bảo hộ hơn 10 bằng sáng chế cho công nghệ cảm biến quang học nano này của KIMM tại Hàn Quốc, một đơn bảo hộ một bằng sáng chế quốc tế (Hiệp ước hợp tác, sáng chế PCT), và một bằng sáng chế bổ sung của Mỹ đang được xem xét. Hình ảnh của công nghệ này đã được đưa ra làm ảnh trang bìa của tạp chí ACS Applied Nano Materials.

Nhận xét về nghiên cứu này, TS. Jae Sung Yoon, cho biết, “Công nghệ cảm biến quang học nano này cách mạng hóa việc đánh giá tình trạng lão hóa và độ ổn định của kết cấu trong các tòa nhà và cơ sở xây dựng. Bằng cách đem lại giải pháp giám sát có độ chính xác cao hơn với chi phí thấp hơn, chúng tôi mong muốn góp phần nâng cao an toàn công cộng cho xã hội”.

Người Việt đứng tên là tác giả thứ nhất trong nghiên cứu nổi bật này, NCS Nguyễn Hoàng Minh tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội sau đó học thạc sĩ và nghiên cứu sinh tại Đại học khoa học và công nghệ Hàn Quốc.

Trước công bố này, Nguyễn Hoàng Minh đã tham gia và công bố các nghiên cứu về quy trình thiết kế và chế tạo mới của các cấu trúc nanogap thẳng đứng có thể phát hiện và định lượng điện các chất sinh hóa có nồng độ thấp. Đây là cấu trúc được đánh giá có tiềm năng ứng dụng trong vi mạch sinh học và kiến ​​trúc phòng thí nghiệm trên chip.

Ngoài ra, anh còn tham gia nghiên cứu về các cảm biến ứng suất cơ học, có cấu trúc tinh thể quang tử 2D ở cấp độ nano trên chất nền polydimethylsiloxane (PDMS) có thể kéo giãn, có tiềm năng đóng góp vào các cảm biến giúp quan trắc ứng suất trong tương lai cho các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, giám sát cơ sở hạ tầng, robot mềm và thiết bị đeo được…

Khoahocphattrien