Hoa nano giải pháp phát hiện ethanol đầy triển vọng

Hoa nano (nanoflowers) được làm từ oxit kẽm, do Yujin Chen và các cộng sự tại trường Đại học Kỹ thuật Harbin phát triển. Các cảm biến phát hiện ethanol thông thường cũng được làm từ loại vật liệu này và làm việc bằng cách phát hiện sự thay đổi điện trở khi một miếng làm từ bột oxit kẽm hoặc một lớp của vật liệu này được phơi trong hơi ethanol.

Tuy nhiên, các cảm biến thông thường này dường như đã sẵn sàng bị thay thế bởi những thiết bị phát hiện thế hệ mới. Theo ông Edman Tsang, nhà nghiên cứu các loại vật liệu nano mới tại trường đại học Reading (Reading University) ở Anh, thì “Các vật liệu cảm biến này có xu hướng sẽ bị thay thế bởi các cấu trúc nano đặc thù vì dường như các cấu trúc này đem lại độ nhạy cao hơn”.

Thông thường, các cảm biến oxit kẽm cần phải được đốt nóng tới nhiệt độ rất cao, 300 độ C trước khi chúng trở nên nhạy cảm với chất ethanol. Tuy nhiên, các bông hoa nano do ông Chen phát minh thì chỉ cần đốt nóng tới ngưỡng nhiệt độ 140 độ C là đã có thể phát hiện được chất ethanol rồi.

Ông Tsang, người đã tham gia vào nghiên cứu này, cho biết “Khả năng phát hiện chất ethanol cực nhạy của hoa nano tại mức nhiệt độ thấp dưới mức bình thường như vậy thật đáng kinh ngạc. Nhiệt độ làm việc mới này đủ thấp để tiến hành tích hợp sẵn trên các cảm biến bán dẫn những thiết bị có chức năng bằng cả một phòng thí nghiệm nhưng kích cỡ chỉ bằng một con chip nhỏ bé.

Công xuất tiêu thụ giảm đi đáng kể

Ưu điểm của các cấu trúc nano là chúng nhỏ gọn và có công suất tiêu thụ ít hơn nhiều so với các cấu trúc thông thường. Công suất tiêu thụ của cảm biến nano chỉ ở mức nanowatt.

Khi các phân tử hơi ethanol bám trên oxit kẽm trong một quá trình được gọi là “sự hút bám” thì điện trở của loại oxit này sẽ bị thay đổi. Các cấu trúc hình hoa làm việc tại mức nhiệt độ thấp hơn vì kích cỡ nhỏ xíu của chúng giúp tăng cường khả năng hút bám. Mỗi bông hoa được làm từ hàng bó thanh nano rộng 15nm. Các nhà khoa học đã tạo ra chúng bằng cách cho nổ dung dịch chứa kẽm bằng sóng siêu âm.

Để tạo ra một cảm biến, các nhà nghiên cứu đã nối 2 miếng vật liệu nhỏ chứa các bông hoa nano này lên một mạch điện. Một miếng vật liệu được phơi với mẫu thử và miếng còn lại được bọc kín. Bằng cách so sánh sự chênh lệch về điện trở giữa miếng vật liệu được phơi nhiễm với các bông hoa điều khiển, ta có thể nhận biết được chất ethanol có tồn tại trong mẫu thử hay không.

Tiềm năng ứng dụng

Cảm biến này có thể phát hiện khi ethanol trong các mẫu thử có mật độ ethanol thấp, thậm chí thấp đến 50 phần triệu. Độ nhạy này vượt xa yêu cầu của các ứng dụng như máy phân tích khí thở. Nhưng để có thể sử dụng trong thực tế, chúng cần được “kích tạp” thêm chất platin hoặc vàng để tăng cường độ nhạy hơn nữa – đây là một kỹ thuật khá phổ biến được dùng cho các cảm biến oxit kẽm.

Theo ông Tsang, những bông hoa này là cấu trúc oxit kẽm khi chưa được kích tạp có độ nhạy cao nhất mà ông từng biết, và quá trình kích tạp các cấu trúc này bằng một loại kim loại phù hợp thậm chí sẽ còn nâng cao khả năng của chúng hơn nữa. Phát biểu về tiềm năng ứng dụng của loại cấu trúc này, ông nói: “Tôi có thể hình dung ra một loạt các ứng dụng tiềm năng, bao gồm giám sát khí thải của quá trình cháy từ việc phân tích các nhà máy hay phương tiện đi lại, thức ăn, mùi vị, hoặc phân tích hơi thở”.

“Tôi cho rằng cấu trúc mới này có thể hình thành một loại vật liệu xúc tác tốt” ông Tsang cho biết thêm. Oxit kẽm được kích tạp đồng đã sẵn sàng được dùng trong quá trình sản xuất metan và được dùng để tách sunphua khỏi khí tự nhiên. Theo Tsang, sẽ rất thú vị khi nghiên cứu loại vật liệu mới này để phục vụ cho các ứng dụng trên.

Nguồn: Tự động hoá ngày nay, số 10 (74) 2006, tr 81