Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ năm, 26/06/2008 00:13 (GMT+7)

Cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng

Loại trừ yếu tố quả cân không chính xác, không chuẩn thì trở ngại quan trọng của cách cân nói trên là lực ma sát ở các điểm treo, điểm tựa. Những cân thật tốt, người ra phải dùng đá cứng đặc biệt mài thành lưỡi dao và cho lưỡi dao tựa trực tiếp trên đá phẳng để làm các điểm treo tựa cho lâu mòn. Tuy nhiên cân theo nguyên lý dùng đòn cân này chỉ chính xác đến miligam vì trọng lượng nhỏ hơn miligam không thắng nổi lực ma sát.

Thực tế có nhiều yêu cầu cần cân chính xác hơn và nhanh nhạy hơn. Từ năm 1959 do nghiên cứu về dao động cộng hưởng ở bản áp điện thạch anh, G.Lauerbrey phát hiện một hiệu ứng đặc biệt, đó là tần số dao động cộng hưởng ở bản thạch anh phụ thuộc một cách tuyến tính vào khối lượng đính thêm vào bản thạch anh. Người ta đã lợi dụng hiệu ứng này để chế tạo ra một loại cân làm việc theo nguyên lý hoàn toàn mới, cho phép cân nhanh, chính xác đến nanogam, gọi là cân tiểu ly tinh thể thạch anh QCM, ba chữ đầu của Quartz Crystal Microbalance.

Gần đây nhất, năm 2007 người ta đã vận dụng những kỹ thuật đặc biệt cho phép theo nguyên tắc của QCM cân được chính xác đến femtogam tức 10 -15gam.

Trước khi tìm hiểu các loại cân mới rất nhạy, rất chính xác này, ta hãy chú ý hiện tượng thường thấy ở tấm ván nhảy ở các bể bơi. Tấm ván nhảy một đầu giữ chặt, một đầu tự do. Vận động viên khi đứng và nhún gần đầu tấm ván nhảy, làm cho ván nhảy cùng vận động viên dao động lên xuống với một tốc độ nào đó. Nhưng khi vận động viên đã lấy đà nhảy ra khỏi ván, do nhẹ đi, ta thấy ván dao động với tốc độ khác. Như vậy là tần số dao động của tấm ván thay đổi theo trọng lượng đặt lên tấm ván. Hiệu ứng mà G. Sauerbrey phát hiện cũng tương tự, nhưng chính xác hơn nhiều vì ở đây dựa vào hiện tượng dao động cộng hưởng. Ta sẽ thấy cụ thể qua tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một loại QCM. Bộ phận cốt lõi của cân là tấm mỏng thạch anh, mặt trên và mặt dưới đều mạ bạc làm điện cực, thường gọi đây là bản cộng hưởng thạch anh (hình 1). Đó là vì hai điện cực được nối với bộ phát dao động điều chỉnh được tần số. Người ta điều chỉnh tần số dao động phát ra cho đến khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, tức là lúc tần số dòng điện xoay chiều kích thích bản thạch anh dao động băng tần số dao động riêng của bản thạch anh. Ở bộ phát dao động kích thích có máy đo, xác định ngay tần số cộng hưởng đó.

Hình 1: Bản thạch anh dao động cộng hưởng Bây giờ giả sử có một thêm khối lượng nào bám chặt vào bản thạch anh. Do khối lượng bản thạch anh thay đổi, tần số dao động riêng của bản thạch anh thay đổi theo và phải điều chỉnh, thay đổi tần số kích thích bản thạch anh mới có được cộng hưởng. Từ giá trị biến thiên của tần số cộng hưởng có thể suy ra khối lượng đã đưa thêm vào bản thạch anh.

Hình 1: Bản thạch anh dao động cộng hưởng

Hình 2: Bản thạch anh tròn đặt trong giá đỡ, mặt phủ lớp polyme hướng ra ngoàiBản thạch anh thực tế thường có hình tròn đặt trong giá đỡ và một mặt để ra ngoài để hứng vật, chất cần bám vào đấy (hình 2). Toàn bộ một cân QCM vẽ ở hình 3.

Tất cả các việc điều chỉnh, tính toán đều thực hiện theo chương trình cài đặt sẵn ở máy tính và kết quả hiển thị gần như tức thời ở màn hình cũng như lưu trữ ở các bộ nhớ để thực hiện tiếp các phép tính, suy ra những thông số cần thiết như tốc độ tăng khối lượng, khối lượng ứng với một đơn vị diện tích v.v…

Hình 3: Cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng QCMTa xét vài thí dụng ứng dụng của QCM.

Một nhà máy xả ra khí độc hại, lượng lan tỏa trong không khí rất ít, nhưng có thể không lợi cho người sống ở đấy nếu chất độc bám vào bề mặt quá một ngưỡng cho phép. Người ta bố trí phủ màng polyme lên bản thạch anh dao động cộng hưởng để khỏi hỏng các điện cực và phủ thêm chất hấp thụ khí độc hại lên trên màng polyme (lớp nhảy cảm). Tất cả máy móc đo đều để trong phòng chỉ bản thạch anh dao động cộng hưởng đặt ở ngoài nơi có khí độc hại lan tỏa ra. Máy móc đo có thể từng giờ một cho biết khối lượng chất độc hại đã bám lên bản thạch anh do nhà máy thải ra môi trường theo từng giờ trong ngày, đơn vị tính ra thí dụ nanogam trên mét vuông (suy ra từ khối lượng chất độc hại bám vào diện tích bản thạch anh).

Một thí dụ khác là trong nước có thể có hòa tan một chất nào đó cần biết chất đó lắng đọng trên bề mặt thế nào. Người ta bố trí cho chất nước đó chảy vào trên bề mặt của màng polyme đã phủ lên bề mặt của bản thạch anh dao động cộng hưởng (để khỏi hỏng các điện cực). Sau thời gian nhất định cho nước thoát ra hết và làm khô bản thạch anh. Xác định tần số cộng hưởng của bản thạch anh trước và sau khi lắng đọng dễ dàng tính được khối lượng đã lắng đọng trên bản thạch anh.

Đặc biệt là trong kỹ thuật tạo ra màng mỏng bằng cách bốc bay kim loại trong chân không, QCM dùng để đo bề dày ngay lúc đang bốc bay. Người ta đặt bản thạch anh vào trong buồng chân không. Khi kim loại nóng chảy bay hơi lên chúng đồng thời bám vào bản thạch anh và làm tăng trọng lượng, máy đo luôn theo dõi tần số cộng hưởng và tính ngay ra khối lượng đã tăng lên ứng với một đơn vị diện tích (tính ra nanogam/cm²) từ đó tính ra bề dày. Đây là cách đo bề dày màng mỏng ngay trong quá trình chế tạo, cách đo tại chỗ, thực thời, chưa có phương pháp nào sánh kịp.

Các cân QCM hiện nay có bán phổ biến trên thị trường để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nói chung là chính xác đến nanogam.

Gần đây, năm 2007 đã có công bố là theo nguyên tắc của QCM, có thể làm cân đặc biệt chính xác đến femtogam (10 -15g) cân được từng con vi khuẩn, vi rút, cân được từng chấm lượng tử.

Ở đây người ta làm bản dao động đặc biệt không phải bằng thạch anh mà bằng silic cũng có tính áp điện, nhưng dễ dàng làm nhỏ, mỏng nhờ kỹ thuật vi điện tử. Không những thế trên bản mỏng silic còn làm được các đường kênh rãnh (kích thước cỡ micromet) để bơm dung dịch vào ra v.v…

Cũng kích thích bản silic dao động cộng hưởng và theo dõi biến thiên tần số cộng hưởng khi có vi khuẩn, vi rút bám vào. Người ta đã cân được con vi khuẩn gây bệnh tiêu chảy E.coli nặng 100 femtogam con virut ở văcxin ngừa bệnh đậu mùa nặng 9 femtogam, chấm lượng tử vàng tức là nhóm các nguyên tử vàng kết tụ lại đường kính mỗi chiều cỡ nanomet nặng vào cỡ hơn 100 femtogam.

Như vậy có thể nói là với cách cân theo nguyên lý cộng hưởng ở bàn thạch anh, độ chính xác phổ biến cỡ nanogam này đã bắt đầu tiến sang femtogam.

Chú thích:

1 nanogam = 10 -9gam = 0,000000001 gam.

1 femtogam = 10 -15gam = 0,000000000000001 gam.

Hình 3: Cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng QCM

Hình 2: Bản thạch anh tròn đặt trong giá đỡ, mặt phủ lớp polyme hướng ra ngoài

Xem Thêm

Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.
Ứng dụng công nghệ số toàn diện là nhiệm vụ trọng tâm của VUSTA giai đoạn tới
Ứng dụng công nghệ số toàn diện, xây dựng hệ sinh thái số là bước đi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và phát huy sức mạnh đội ngũ trí thức của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA). Qua đó cho thấy, VUSTA không chỉ bắt kịp xu thế công nghệ mà còn chủ động kiến tạo những giá trị mới, khẳng định vai trò tiên phong của đội ngũ trí thức trong thời đại số.

Tin mới

Thanh Hoá: Hội nghị sơ kết 6 tháng đầu năm 2026
Ngày 10/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Thanh Hóa (Liên hiệp hội) tổ chức Hội nghị Ban Chấp hành mở rộng lần thứ VII, khoá VII, nhiệm kỳ 2024 - 2029; sơ kết 6 tháng đầu năm, triển khai nhiệm vụ trọng tâm 6 tháng cuối năm 2026.
Lâm Đồng: Kết nối sức mạnh - Khơi thông nguồn lực phát triển năng lượng tái tạo
Chiều ngày 09/7, tại Đà Lạt, Hiệp hội Điện gió và Mặt trời tỉnh Lâm Đồng (Hội thành viên Liên hiệp Hội) tổ chức Hội nghị thường niên năm 2026 nhằm đánh giá kết quả hoạt động năm 2025 và 6 tháng đầu năm 2026, đồng thời đề ra phương hướng, nhiệm vụ trọng tâm cho 6 tháng cuối năm.
Liên hiệp Hội tỉnh Hà Tĩnh và Quảng Trị tăng cường trao đổi kinh nghiệm
Chiều ngày 09/7, Đoàn công tác Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật (LHH) tỉnh Quảng Trị do Tiến sĩ Trần Văn Tuân – Chủ tịch Liên hiệp Hội làm Trưởng đoàn đã có buổi thăm, làm việc và trao đổi kinh nghiệm tại LHH tỉnh Hà Tĩnh. Tiếp và làm việc với đoàn có Tiến sĩ Bùi Khắc Bằng – Chủ tịch LHH tỉnh Hà Tĩnh cùng đại diện các ban chuyên môn.
Đắk Lắk: Liên hiệp hội sơ kết công tác 6 tháng đầu năm
Chiều ngày 09/7, Liên hiệp hội tỉnh Đắk Lắk đã tổ chức Hội nghị Ban Chấp hành (mở rộng) nhằm sơ kết công tác 6 tháng đầu năm và triển khai phương hướng, nhiệm vụ 6 tháng cuối năm 2026; đồng thời cho ý kiến đối với các nội dung chuẩn bị Đại hội Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh lần thứ I, nhiệm kỳ 2026 - 2031.
GS.TSKH Nguyễn Đức Cương: Khoa học là một hành trình dài và không phải lúc nào cũng có kết quả ngay
Sinh năm 1945 tại Huế, ông là nhà khoa học hàng đầu về hàng không - vũ trụ của Việt Nam, đã có hơn nửa thế kỷ cống hiến cho ngành khoa học kỹ thuật hàng không vũ trụ. Không chỉ là người đặt nền móng cho các sản phẩm bay tiết kiệm chi phí cho Việt Nam, ông còn là người thầy tâm huyết, truyền cảm hứng và kiến thức cho nhiều thế hệ, góp phần đưa ngành hàng không Việt Nam đạt được những bước tiến mới.
Đắk Lắk: Ứng dụng AI “nghe” độ chín sầu riêng
TS. Lê Minh Tân và CN. Hoàng Ngọc Trung Nguyên (Trường Đại học Tây Nguyên) đã nghiên cứu thành công giải pháp: “Máy phân loại quả sầu riêng theo độ chín sử dụng AI phân tích âm thanh”. Giải pháp này đã đọat giải Nhì Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật tỉnh Đắk Lắk (2024-2025) khu vực phía Tây.