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.
 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.
 Bản 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…  Ta 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.
|
