Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một nền tảng cảm biến linh hoạt có thể phát hiện các loại khí và đo tốc độ di chuyển của chúng qua vật liệu nano, mở ra các ứng dụng mới từ phân tích hơi thở đến an ninh.

Từ y tế đến an ninh, nhu cầu về các "mũi điện tử" đáng tin cậy ngày càng tăng, nhưng công nghệ hiện tại vẫn chưa đáp ứng được. Nắm bắt thách thức đó, các nhà nghiên cứu tại KU Leuven đã tạo ra một nền tảng cảm biến đột phá, hoạt động như một "camera tốc độ" phân tử, có khả năng vừa phát hiện khí, vừa đo lường tốc độ của chúng.

Công nghệ này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications và đã được cấp bằng sáng chế. Nó cho phép đo lường tốc độ các phân tử di chuyển qua một vật liệu nano đặc biệt. Điều này mở ra cánh cửa cho hàng loạt ứng dụng.

Các cảm biến hóa học truyền thống thường đo lường lượng chất cụ thể bám vào một bề mặt. Nhưng không khí chứa hàng trăm hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), thường ở nồng độ thấp và trộn lẫn vào nhau. Vấn đề còn phức tạp hơn khi hơi nước thường có nồng độ cao hơn gấp nghìn lần so với các chất mục tiêu, khiến nhiều cảm biến khó có thể đo lường chính xác. Kết quả là: độ tin cậy và độ chính xác thấp.

Nền tảng cảm biến mới của KU Leuven sử dụng các khung hữu cơ-kim loại (MOF): đây là những vật liệu có mạng lưới các lỗ nano với kích thước hoàn toàn giống nhau. Chúng hoạt động như những chiếc camera bắn tốc độ phân tử. Khi các phân tử khí di chuyển qua các lỗ này ở nhiệt độ cao hơn một chút, chúng sẽ di chuyển với tốc độ đặc trưng và khá nhau tùy thuộc vào cấu trúc của chúng. Tốc độ này hoạt động độc nhất như "dấu vân tay". Bằng cách đo tốc độ, các nhà nghiên cứu có thể phân biệt các loại khí khác nhau, ngay cả trong những điều kiện khó khăn mà các cảm biến truyền thống thất bại.

Margot Verstreken, kỹ sư công nghệ sinh học và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại nhóm nghiên cứu Ameloot ở KU Leuven, cho biết: "Bạn có thể so sánh phương pháp của chúng tôi với việc giám sát tốc độ cho các phân tử. Chúng tôi không chỉ xem có bao nhiêu phân tử di chuyển qua các lỗ nano, mà còn xét đến sự khác biệt về tốc độ. Chúng tôi gọi đó là độ chọn lọc động học. Thông tin bổ sung đó tạo nên sự khác biệt".

Điều làm cho phương pháp của KU Leuven trở nên độc đáo là nó có một nền tảng có thể mở rộng. "Bằng cách điều chỉnh khung hữu cơ-kim loại, chúng tôi có thể tùy chỉnh cảm biến cho các loại khí cụ thể mà không cần thay đổi công nghệ nền tảng. Hệ thống vẫn nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Ngay cả trong môi trường ẩm ướt hoặc với hỗn hợp khí phức tạp và nồng độ thấp, nó vẫn vượt trội hơn các loại mũi điện tử thương mại", Verstreken giải thích.

Với hàng loạt các ứng dụng tiềm năng, nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho cấu trúc cảm biến đặc biệt này. Hãy hình dung khả năng của công nghệ này khi có thể kiểm tra hơi thở để chẩn đoán sớm bệnh tiểu đường hoặc phát hiện rò rỉ trong ngành công nghiệp hóa chất và các lỗi trong pin Li-ion, giám sát chất lượng không khí trong nhà hoặc ngoài trời, hoặc theo dõi độ tươi của rau quả trong kho. Ngay cả các chất nổ hoặc ma túy được che giấu cũng có thể được phát hiện nhanh hơn và chính xác hơn bằng công nghệ này. Do thiết kế dạng mô-đun, cảm biến có thể được điều chỉnh cho từng nhiệm vụ: chỉ cần chọn đúng loại MOF, và nền tảng này sẽ giúp nó hoạt động chính xác.

Verstreken nhấn mạnh: "Đây không phải là một cảm biến được chế tạo cho một nhiệm vụ cụ thể, mà là một nền tảng dạng mô-đun. Bằng cách chọn đúng MOF hoặc sự kết hợp các MOF, bạn có thể tùy chỉnh cảm biến theo mục tiêu cần phát hiện. Sự linh hoạt đó làm cho nền tảng của chúng tôi phù hợp với nhiều lĩnh vực, từ y tế đến an ninh".

Với nghiên cứu này, Margot Verstreken cũng đã giành chiến thắng trong cuộc thi Falling Walls phiên bản Bỉ, một cuộc thi truyền thông khoa học quốc tế. Vào tháng 11, cô sẽ đại diện cho Bỉ tại vòng chung kết thế giới ở Berlin, cạnh tranh với các nhà nghiên cứu trẻ từ hơn một trăm quốc gia.

P.T.T (NASTIS), theo Nanowerk Spotlight, 10/2025