TS.Trần Thanh Tùng trong phòng thí nghiệm.Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp

Hướng đi mới từ vật liệu cũ

Sau hơn một thập kỷ, graphene - một phát minh đoạt giải Nobel vào năm 2010 của hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov (đại học Manchester, Vương Quốc Anh) - đã không còn là một khái niệm quá xa lạ. Không chỉ là một vật liệu mỏng nhất và gần như bền nhất được biết tới trên thế giới hiện nay, graphene còn siêu nhẹ, độ truyền qua (ánh sáng) cao, vừa là một trong những chất dẫn nhiệt tốt nhất và dẫn điện nhanh nhất, cũng là một màng lọc hay tấm chắn điện từ “siêu hạng”.

Cũng bởi những đặc tính phi thường như vậy, ngày càng có nhiều các sản phẩm công nghệ sử dụng vật liệu này hơn: chẳng hạn như dùng graphene để sản xuất tai nghe tạo ra âm thanh chất lượng hơn, điện thoại thông minh tản nhiệt tốt hơn, mặt đường cứng và bền hơn, thậm chí cả bao bì dầu gội cũng trở nên thân thiện với môi trường hơn.

Những lĩnh vực mà graphene có thể đem lại tiềm năng ứng dụng ưu việt như vậy không chỉ dừng lại ở đó. “Graphene hình ống được dệt thành lưới hoặc vải dệt graphene (graphene woven fabric - GWF) đã được nghiên cứu và cho thấy chúng là một trong những vật liệu nhạy nhất để cảm nhận biến dạng, cũng như có thể trở thành những cảm biến nhiệt độ đầy tiềm năng”, theo nhóm nghiên cứu của TS. Trần Thanh Tùng (Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Graphene cho các sản phẩm công nghiệp (ARC Graphene Research Hub, Khoa Kỹ thuật Hóa học và Vật liệu Tiên Tiến, Đại học Adelaide, Nam Úc) trong bài báo mới công bố trên tạp chí Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.

Theo đó, trong vài năm gần đây, vật liệu tổng hợp GWF/polydimethylsiloxane (PDMS) đã được nghiên cứu để làm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cũng như cảm biến biến dạng và cho thấy hiệu suất vượt trội khi có thể phát hiện biến dạng với độ nhạy (GF) trong khoảng từ 500 đến 1000. “Độ nhạy này có được là nhờ các ‘vết nứt’ siêu nhỏ và khả năng ‘trượt’ lên nhau của các lớp graphene này, khiến cho điện tính của vật liệu thay đổi nhiều hơn và nhờ đó giúp cho cảm biến có độ nhạy lớn hơn”, TS. Tùng cho biết. Nhờ được kết nối với chất nền dẻo và đàn hồi (PDMS), sau khi giải phóng ngoại lực, các vết nứt sẽ hồi phục và GWF trở lại vị trí ban đầu. “Đây chính là ưu điểm nổi bật của GWF so với các vật liệu graphene khác được sử dụng cho cảm biến biến dạng, do đó, GWF có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng cho cảm biến mang được trên người”, TS. Tùng nói thêm.

Dù có những điểm nổi bật như vậy, song những cảm biến sử dụng vật liệu GWF/polydimethylsiloxane hiện nay thường chỉ có một chức năng riêng - hoặc là phát hiện sự thay đổi nhiệt độ, hoặc là phát hiện sự biến dạng, hay áp lực. “Mặc dù đã có những nỗ lực để cân bằng ‘sự thỏa hiệp’ giữa khả năng đo áp lực và độ nhạy tuyến tính, song hai tính chất này thường khó có thể đạt được đồng thời trong vật liệu dựa trên graphene 2D”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo. Trong khi đó, nếu tạo ra được các cảm biến với đa chức năng, “chúng ta có thể mở rộng đáng kể việc sử dụng chúng trong hệ thống theo dõi chăm sóc sức khỏe”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Nhận thấy khoảng trống chưa được khai phá này, cách đây ba năm, TS. Tùng và các đồng nghiệp ở Pháp và Đài Loan đã đặt ra bài toán: phải làm sao để tạo ra các cảm biến sử dụng GWF và có thể đo đồng thời nhiều kích thích khác nhau. Với mục tiêu mới, nhóm nghiên cứu đã khảo sát lại các đặc tính của các tấm lưới graphene cũng như đặc tính của từng cảm biến áp suất, nhiệt độ, độ biến dạng để từ đó thiết kế ra một loại cảm biến mới có thể phản ứng với đồng thời nhiều kích thích.

Dù loại vật liệu graphene được sử dụng không phải là vật liệu mới, song cái khó nằm ở chỗ, nếu muốn áp dụng được trong thực tế, “phải tối ưu hóa được các thiết kế cũng như lớp màng PDMS ở dưới tấm đế của cảm biến”, TS. Tùng cho biết. Đây là một dạng polyme màng mỏng và trong suốt, rất dẻo và có khả năng đàn hồi cao, nhờ đó, khi người dùng ấn lên cảm biến thì vật liệu sẽ không bị vỡ, hỏng - một yếu tố quan trọng giúp cảm biến hoạt động tốt hơn. Song, do bản chất của hai vật liệu PDMS và graphene hoàn toàn khác biệt, việc kết dính lớp PDMS này vào với tấm graphene mà vẫn đảm bảo độ nhạy đồng nhất trong mỗi lần thử nghiệm vô cùng khó khăn.

“Thực tế là chúng tôi đã thất bại nhiều lần, do sự bám dính của vật liệu không tốt nên khi đó mỗi lần thí nghiệm lại cho ra một kết quả khác nhau”, TS. Tùng nhớ lại. Những thất bại này đã giúp nhóm nghiên cứu dần khoanh vùng lại vấn đề và tìm ra giải pháp: “sơn” một lớp PDMS chưa đóng rắn lên bề mặt của chất nền kia, sau đó đặt vật liệu lên trên và đưa vào môi trường nhiệt độ nhất định để tạo ra lớp kết dính chặt chẽ giữa hai vật liệu.

Cảm biến của nhóm nghiên cứu. Trong đó, hình alà cảm biến áp suất từ tấm graphene. Hình b là dữ liệu về sự phản ứng của cảm biến ở 1kPa. Hình c là băng dán có chứa cảm biến GWF/PDMS đang được một người đeo thử nghiệm.

Giải được nút thắt này, việc chế tạo cảm biến từ GWF và màng GWF/PDMS trở nên đơn giản hơn. Theo đó, các kết nối điện được thiết kế bằng kỹ thuật in 3D và làm khô nhanh ở 90°C. Sau đó, hỗn hợp GWF và màng GWF/PDMS độc lập được gắn vào đế này và được hoàn thiện bằng các tấm epoxy để tạo thành cấu trúc cảm biến. Kết quả thử nghiệm cho thấy, cảm biến GWF/PDMS của nhóm nghiên cứu có độ nhạy áp suất là 0,0142 kPa⁻¹ trong phạm vi đo từ 0 - 20 kPa, hệ số cảm biến (GF) là 582 ở độ biến dạng 6,2% và độ nhạy rất cao là 0,0238°C⁻¹ trong khoảng nhiệt độ 25 - 80°C.

Tiềm năng ứng dụng trong y tế

Việc nghiên cứu thành công mẫu cảm biến đa chức năng này đã giúp cho nhóm của TS. Tùng có thêm niềm tin về những ứng dụng thực tiễn mà các cảm biến làm từ graphene có thể đem lại trong tương lai.

Một trong những ứng dụng như vậy là sản xuất các cảm biến áp suất không khí có độ nhạy cao để đo áp suất thấp. Theo đó, cảm biến này có thể sử dụng để giám sát sự giảm áp suất của bộ lọc không khí và máy thở y tế với chi phí thấp hơn so với các cảm biến hiện có trên thị trường. Nhóm của TS. Tùng đã thử chế tạo một thiết bị có kích thước khoảng vài cm và đặt vào trong các ống thở để theo dõi sự thay đổi của áp lực khí - tương tự với nhịp thở. Kết quả cho thấy cảm biến có thể đo được sự thay đổi dù áp suất rất thấp và phản hồi gần như tức thời.

Bên cạnh đó, một sản phẩm ứng dụng khác mà nhóm của TS. Tùng đã thử nghiệm và đang ấp ủ là các cảm biến được tích hợp luôn cảm biến vào trong các miếng băng dán y tế để theo dõi sự phục hồi hoặc sưng tấy, lở loét bất thường của các vết thương. “Chẳng hạn, khi vết thương sưng lên và làm giãn lớp da của người bệnh thì các băng dán được tích hợp cảm biến như vậy sẽ có thể nhận diện và giúp người bệnh sớm phát hiện ra những bất thường của vết thương. Ngược lại, nếu vết thương phục hồi tốt thì người bệnh sẽ có thể biết được và không phải mất thời gian đi đến bệnh viện”, TS. Tùng mường tượng về ứng dụng trong tương lai.

Tất nhiên, dù khả thi và có chi phí sản xuất thấp, những ứng dụng này sẽ vẫn cần phải có một quá trình nghiên cứu và thử nghiệm dài thì mới có thể đưa vào sử dụng trong chăm sóc y tế. Một trong những thách thức cần phải giải quyết nằm ở sự phức tạp khi vật liệu tương tác với cơ thể con người. Chẳng hạn, “một vết thương của con người sẽ có thể chứa rất nhiều thứ bên trong, từ nước đến các chất các chất chỉ thị hữu cơ, hay vi khuẩn,...”, TS. Tùng cho biết. “Bài toán phức tạp cần phải vượt qua là làm sao để thiết bị tương thích sinh học tốt với cơ thể con người nhưng vẫn giữ được độ nhạy của cảm biến”.

Mỹ Hạnh