Cảm biến phát hiện khí độc với con người

Formaldehyd - nó là gì?

Formaldehyde là chất gây ô nhiễm không khí thường thấy ở môi trường trong nhà. Những vật dụng gia đình như giấy dán tường, sản phẩm gỗ ép, sơn và khói thuốc lá đều phát ra nó. Tiếp xúc với formaldehyde ở nồng độ cao có thể dẫn đến kích ứng đường hô hấp, đau đầu, một số triệu chứng về hô hấp và tăng nguy cơ mắc một số bệnh ung thư. Các cảm biến chất lượng không khí trong nhà hiện tại thiếu độ nhạy để phát hiện formaldehyde ở mức thấp như vậy. Đây là điều mà nhóm nhà nghiên cứu tập trung vào.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật in 3D để phát triển cảm biến làm từ aerogel, còn được gọi là khói đông lạnh. Loại cảm biến này có thể phát hiện hàm lượng formaldehyde cực thấp trong không khí trong nhà mà nhóm nhà nghiên cứu đã thử nghiệm.

Khói đông lạnh Aerogel

Khói đông lạnh là tên thích hợp cho aerogel do vẻ ngoài trong suốt của nó. Những vật liệu này có mật độ thấp - có thể thấp bằng một phần nghìn chất rắn truyền thống và tính chất xốp cao của chúng. Aerogel là 99,8% không khí, với mạng lưới các hạt nano liên kết với nhau tạo thành cấu trúc có độ xốp cao và chúng có diện tích bề mặt cao. Những đặc tính này làm cho aerogel trở thành ứng cử viên sáng giá cho những ứng dụng cảm biến khí. Cấu trúc độc đáo của chúng cung cấp nhiều vị trí cho phân tử khí tương tác, cải thiện độ nhạy.

Thông qua in 3D, nhóm nhà nghiên cứu tạo ra aerogel, cho phép kiểm soát chính xác thiết kế cảm biến. Điều này cũng giúp nâng cao hiệu suất khi phát hiện formaldehyde và các loại khí khác ở nồng độ thấp. Để làm được điều này, nhóm nhà nghiên cứu chọn thiếc dioxide (SnO₂ ) - một vật liệu bán dẫn có đặc tính cảm biến tuyệt vời (đặc biệt là formaldehyde)-cho phép phát hiện ngay cả ở nồng độ thấp.

In 3D vật liệu lai

Mặc dù SnO₂ có khả năng phát hiện formaldehyde ở nồng độ thấp rất tốt nhưng nhóm nhà nghiên cứu vẫn muốn nâng cao khả năng này. Họ bắt đầu bằng cách tạo ra chấm lượng tử SnO₂ bằng cách sử dụng các chất giống như xà phòng để hỗ trợ quá trình xử lý ở nhiệt độ cao, áp suất cao. Nhóm nhà nghiên cứu mô tả đây là một “quá trình tăng trưởng thủy nhiệt được hỗ trợ bởi chất hoạt động bề mặt”.

Trong giai đoạn này, SnO₂ trộn với chất hoạt động bề mặt để kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano thu được. Điều kiện nước nóng thúc đẩy sự phát triển của hạt nano SnO2 thành cấu trúc chấm lượng tử với kích thước và sự phân bố đồng đều. Ở bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu phân bố đều các chấm lượng tử SnO₂ trên những tấm graphene oxit (GO) được phân tán trong dung dịch. Đây đóng vai trò là mực cho quá trình in 3D. Đối với các ứng dụng cảm biến khí, nhóm nhà khoa học in 3D aerogel trên đế bảng mạch in (PCB) theo hình dạng uốn khúc hoặc zig-zag.

Sau đó, nhóm nhà nghiên cứu pha tạp mạng cảm biến này bằng dung dịch muối kim loại, tạo ra vật liệu lai: aerogel dựa trên vật liệu SnO₂/rGO 0D-2D. Ở đây, rGO là graphene oxit khử, mang lại độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn. Điều này giúp tăng cường độ nhạy và phản hồi của cảm biến, đồng thời cũng cải thiện độ bền cơ học và độ ổn định của vật liệu. Tiếp theo là sự kết hợp của chấm lượng tử kết hợp với SnO₂ 0D cho vật liệu 0D (hoặc 0 chiều). Điều này càng nâng cao khả năng cảm nhận của aerogel.

Quan trọng hơn, kích thước nhỏ của chúng cho phép điều chỉnh chính xác các đặc tính điện tử, cho phép phát hiện có chọn lọc phân tử formaldehyde giữa các loại khí khác. Pha tạp kim loại mang lại những chức năng bổ sung cho vật liệu cảm biến. Mạng ion kim loại này có thể biến đổi cấu trúc điện tử của SnO₂/rGO, nâng cao hiệu suất cảm biến của nó bằng cách tăng độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định. Và vật liệu 2D hay 2 chiều chính là tấm graphene.

Cải thiện bằng học máy

Hơn nữa, nhóm nhà nghiên cứu phát triển thuật toán nhận dạng những loại khí dựa trên việc trích xuất đặc điểm động. Họ sử dụng thuật toán học máy phân loại các loại khí khác nhau dựa trên đặc điểm của chúng một cách chính xác. Điều này cho phép cảm biến và nhận dạng theo thời gian thực, ngay cả khi không đạt đến trạng thái ổn định trong phản hồi cảm biến. Cảm biến đạt được phản hồi cao kỷ lục là 15,23% đối với nồng độ formaldehyde 1 phần triệu và giới hạn phát hiện cực thấp là 8,02 phần tỷ.

Tác giả đầu tiên Zhuo Chen ở Đại học Cambridge cho biết trong một thông cáo báo chí: “Bằng cách sử dụng những vật liệu có độ xốp cao làm yếu tố cảm biến, chúng tôi đang mở ra những cách hoàn toàn mới để phát hiện các vật liệu nguy hiểm trong môi trường của chúng ta” .