Cảm biến tiên tiến có thể thay đổi màu sắc

Với khả năng hoạt động mà không cần nguồn điện, cảm biến mới do TS. Nguyễn Hữu Quang và các cộng sự tại Đại học Quốc gia Chungnam (Hàn Quốc), trường Đại học Phenikaa (Việt Nam) và Đại học Thượng Hải (Trung Quốc) phát triển được kỳ vọng có thể đem lại nhiều ứng dụng mới trong các môi trường khắc nghiệt như biển sâu hoặc khi thám hiểm không gian.

Các hạt thay đổi màu sắc ở các kích thước khác nhau. Ảnh: Nhóm nghiên cứu

Các thiết bị mang được trên người (wearable devices) và cảm biến thông minh đang mở ra một “cuộc cách mạng” trong việc theo dõi sức khỏe và hoạt động của con người, từ việc theo dõi nhịp tim đến phát hiện chuyển động cơ thể. Song, các công cụ truyền thống như ống nghe và máy theo dõi sức khỏe thường gặp phải nhiều hạn chế: người dùng cần phải được hướng dẫn cách sử dụng. Bên cạnh đó, nhiều thiết bị phụ thuộc vào pin hoặc nguồn điện để hoạt động, trong khi đó vẫn chưa nắm bắt được chính xác các tín hiệu khó phát hiện, dẫn đến việc thiếu tính linh hoạt và khiến người dùng khó sử dụng.

Những thiếu sót kể trên đã khiến cho các thiết bị truyền thống trở nên kém hiệu quả khi ứng dụng trong các trường hợp đòi hỏi khả năng thích ứng, độ chính xác cao và thân thiện với người dùng, chẳng hạn như theo dõi sức khỏe theo thời gian thực hoặc theo dõi các chuyển động.

Để giải quyết những thách thức này, TS. Nguyễn Hữu Quang - thành viên trong nhóm nghiên cứu của GS. Jaebeom Lee tại Đại học Quốc gia Chungnam - và các cộng sự đã phát triển một cảm biến tiên tiến có thể thay đổi màu sắc để phản ứng với ứng suất cơ học. Kết quả nghiên cứu mới đây được công bố trên tạp chí Chemical Engineering Journal đã cho thấy tiềm năng trở thành một công cụ đa năng mà không cần phải sử dụng nguồn điện của cảm biến mới phát triển. Với việc tích hợp các polyme linh hoạt với các hạt nano từ tính cải tiến, nhóm nghiên cứu đang ấp ủ tham vọng biến thiết bị mới này thành một giải pháp đáng tin cậy, thân thiện với người dùng trong việc theo dõi sức khỏe và hoạt động theo thời gian thực.

Phản ứng trực tiếp với lực cơ học

Trong một địa hạt đang phát triển sôi động - hệ thống cảm biến thông minh, TS. Nguyễn Hữu Quang và các nhà nghiên cứu trong nhóm không phải là những người đầu tiên nghĩ đến việc phát triển một cảm biến phản ứng trực tiếp với lực cơ học. Thực tế, trong thời gian gần đây, đã ngày càng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu việc sử dụng các vật liệu phản ứng cơ học để theo dõi các kích thích sinh cơ học (như chuyển động cơ thể, nhịp tim, lưu lượng máu,…). Dù vậy, việc phát triển các thiết bị đeo có khả năng ghi lại chính xác các tín hiệu sinh lý quan trọng, đồng thời khắc phục những hạn chế của các công nghệ truyền thống vẫn luôn là một thách thức lớn.

Khi đi tìm phương án giải quyết vấn đề này, TS. Nguyễn Hữu Quang và các đồng nghiệp chú ý đến cấu trúc nano lai - sự kết hợp giữa vật liệu polyme thông minh và hạt nano vô cơ, đặc biệt là trong thiết kế các thiết bị phản ứng cơ học. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy đã có nhiều báo cáo về tinh thể quang tử có khả năng phản ứng cơ học, với nhiều ứng dụng khác nhau như cảm biến, mã hóa quang học, laser có thể điều chỉnh và màn hình chủ động.

“Tuy nhiên, hầu hết các tinh thể quang tử này có màu sắc cấu trúc phụ thuộc vào góc nhìn do hiện tượng nhiễu xạ Bragg, do đó làm giảm đáng kể độ chính xác khi quan sát”, nhóm nghiên cứu giải thích trong bài báo mới công bố.

Sau một thời gian mày mò để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã cho ra đời cảm biến được chế tạo bằng các hạt nano từ trường (MagPlas). Nhưng tại sao lại là MagPlas? Các hạt nano này có lõi bạc (60nm) và lớp vỏ oxit sắt (Fe3O4), đem lại cho chúng khả năng tương tác với ánh sáng và từ trường. “Đây là ứng cử viên đầy hứa hẹn để chế tạo các thiết bị cơ sắc, nhờ vào khả năng độc đáo của chúng trong việc điều khiển cấu trúc nano thông qua từ trường ngoài”, TS. Quang và nhóm nghiên cứu chia sẻ trong công bố mới.

Không chỉ có tính chất độc đáo, các hạt nano này còn có thể được sản xuất ổn định bằng phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi - phương pháp kiểm soát các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao để tạo ra các hạt có độ đồng đều cao với số lượng lớn. Nhờ đó, “vật liệu kích thước nano này có thể được tổng hợp với độ đồng nhất và khả năng mở rộng đặc biệt” - yếu tố quan trọng mà bất kỳ công nghệ nào muốn đưa được vào sản xuất đại trà và đưa ra thị trường đều cần đến, nhóm nghiên cứu phân tích về ưu điểm của loại hạt mà nhóm đã lưa chọn.

Điều làm nên sự đặc biệt trong thiết kế cảm biến của nhóm còn nằm ở cách sắp xếp các hạt nano MagPlas. Khi một giọt chất lỏng chứa các hạt này được đặt trên một vật liệu xốp, chẳng hạn như giấy lọc hoặc màng polyethersulfone (PES), và tiếp xúc với từ trường, các hạt sẽ đóng chặt lại với nhau trên bề mặt thay vì thấm vào các lỗ rỗng của vật liệu xốp.

Cơ chế này sẽ tạo nên một lớp đồng nhất gọi là mảng quang tử vô định hình (APA), giúp tạo ra màu sắc tươi sáng, đồng nhất và ổn định khi nhìn từ các góc độ khác nhau. “Yếu tố quan trọng để tự lắp ráp hạt nano từ tính thành công phụ thuộc nhiều vào sự cân bằng giữa lực nén từ tính và tương tác lưỡng cực-lưỡng cực giữa các hạt nano từ tính liền kề”, nhóm nghiên cứu giải thích. “Trước đây, chúng tôi đã chứng minh rằng các hạt nano MagPlas có thể nhanh chóng tự lắp ráp thành các mảng quang tử vô định hình (APA) với mật độ cao dưới tác động của từ trường, tạo ra các màng màu cấu trúc không lóa có độ nhạy cao và độ ổn định đáng tin cậy”.

Khi ứng dụng vào thiết kế cảm biến mới, các APA này sau đó được TS. Nguyễn Hữu Quang và các cộng sự chuyển lên một vật liệu linh hoạt, có thể kéo giãn được gọi là polydimethylsiloxane (PDMS). Kỹ thuật này cho phép cảm biến thay đổi màu sắc dưới ứng suất cơ học. Bằng cách điều chỉnh kích thước hạt nano trong khoảng từ 91 đến 284 nanomet, các nhà nghiên cứu đã kiểm soát được sự thay đổi màu sắc của cảm biến.

Trong đó, sự thay đổi màu sắc đáng chú ý nhất - từ xanh sang đỏ - xảy ra khi các hạt được điều chỉnh ở kích thước 176 nanomet. Điều đáng chú ý là những thay đổi màu sắc này hoàn toàn có thể đảo ngược lại và giữ ổn định ngay cả sau khi bị kéo giãn nhiều lần - minh chứng cho độ bền và đáng tin cậy của cảm biến.

Mở ra những cơ hội mới

Với những tính năng nổi trội, cảm biến do TS. Nguyễn Hữu Quang và nhóm nghiên cứu phát triển có thể tạo ra nhiều đột phá và mang lại một loạt ứng dụng đa dạng. Chẳng hạn, trong lĩnh vực y tế, nó có thể được sử dụng như một thiết bị đeo để theo dõi các chuyển động như gập gối, xoay cổ hoặc thậm chí cả những chuyển động tinh vi như nhịp tim hay co giật mắt. Ngoài ra, cảm biến còn có thể đảm bảo an toàn cho các tòa nhà và cây cầu bằng cách phát hiện trực quan căng thẳng cơ học hoặc hư hại mà không cần các thiết lập phức tạp.

“Sự thay đổi cơ học của thiết bị có thể được theo dõi liên tục để dự đoán và ngăn ngừa các sự cố kết cấu nghiêm trọng trong các tòa nhà, công trình dân dụng và hệ thống công nghiệp”, nhóm nghiên cứu chia sẻ.

Nhìn về tương lai, cảm biến còn có thể đem lại nhiều ứng dụng mới cho màn hình động và lưu trữ dữ liệu an toàn. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mã “ma trận dữ liệu” đặc biệt chỉ có thể nhìn thấy khi cảm biến được kéo căng. Trong 5 đến 10 năm tới, những cảm biến không cần nguồn điện này có thể trở thành chìa khóa trong việc phát triển công nghệ bền vững và thân thiện với môi trường.

Khả năng hoạt động mà không cần nguồn điện cũng giúp cho các cảm biến này trở nên lý tưởng để sử dụng trong các môi trường xa xôi hoặc khắc nghiệt như các nhiệm vụ dưới biển sâu hoặc thám hiểm không gian. “Các cảm biến và thiết bị quang học không cần nguồn điện sẽ có tác động rất lớn đến tương lai của công nghệ xanh và bền vững”, nhóm nghiên cứu hình dung.

Bài đăng KH&PT số 1333 (số 9/2025)

Khoahocphattrien