Các nhà khoa học ở Ireland và Anh đã kết hợp vật liệu graphene với cao su để tạo ra các cảm biến đeo trên cơ thể có thể dùng để theo dõi chuyển động của thở, nhịp tim…
Hiện nay, công nghệ chế các loại thiết bị y tế cầm tay như cảm biến theo dõi chuyển động cơ thể, nhịp tim, huyết áp đang rất được quan tâm. Phần lớn giới truyền thông và người tiêu dùng quan tâm đến thiết bị được gọi là “smartwatches”, tuy nhiên thị trường cho các loại cảm biến đeo được thì rộng hơn rất nhiều. Có rất nhiều ứng dụng cho các cảm biến đeo được, điển hình trong số đó là các thiết bị nhạy cảm với sự căng cơ (cảm biến áp lực) ở nhiều cấp độ, từ áp lực hơi thở đến các sự thay đổi áp lực khi vận động.
Bộ cảm biến áp lực hoạt động bằng cách biến đổi chuyển động thành các tín hiệu điện có thể đo được và ghi lại, sự biến đổi về chiều dài của vật liệu theo chuyển động của cơ thể sẽ dẫn đến sự thay đổi về điện trở của vật liệu cảm biến. Trên thực tế, cảm biến phải được sản xuất với số lượng lớn và chi phí thấp, với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau. Ví dụ như một số loại cảm biến đã được tích hợp vào các loại sợi vải dùng cho may mặc.
Các cảm biến sinh học này đã được nghiên cứu từ lâu nhưng vẫn chưa phát triển mạnh do hiệu suất của vật liệu cảm biến còn thấp. Hiện nay trên thị trường cũng đã có một số loại cảm biến biến dạng làm từ silic và kim loại, tuy nhiên các vật liệu này còn cứng nhắc, thiếu độ linh hoạt cho các thiết bị đeo được trên cơ thể. Các vật liệu nano như hydrogel, các loại giấy qua xử lý, các sợi dệt được bằng vật liệu dẫn điện, màng ống nano carbon và các cấu trúc nano phức tạp khác đang được xem xét và phát triển. Tương tự với graphene, vật liệu hai chiều dựa trên các lớp carbon đơn nguyên tử cũng đang được nghiên cứu.
Nhóm nghiên cứu hóa lý của Jonathan Coleman tại Dublin, cùng với các đồng nghiệp tại trường Đại học Surrey, đã chế tạo ra cảm biến chuyển động có thể đeo được bằng cách thêm một lượng nhỏ graphene vào dải cao su. Nhóm của giáo sư Coleman là một phần của AMBER (Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến và nghiên cứu sinh học) – một trung tâm khoa học do Ireland tài trợ trực thuộc Trinity College Dublin, và là đối tác chính của Flagene Graphene.
Các kết quả của loại cảm biến này được công bố trên tạp chí khoa học hàng đầu về công nghệ và khoa học nano ACS Nano, ý tưởng của nghiên cứu này là công trình của tác giả chính Conor Boland, một sinh viên nghiên cứu năm thứ ba sắp kết thúc dự án tiến sĩ của mình. Bài báo của Boland mô tả một quy trình đơn giản để đưa graphene từ dung dịch vào cao su thiên nhiên, tạo ra các vật liệu composite dẫn điện, trong đó hiệu suất nâng cao nhờ phương pháp hình thành vật liệu. Coleen cho biết graphene mang lại một số lợi thế về kỹ thuật và kinh tế so với các vật liệu nano khác khi sử dụng trong cảm biến áp lực. “Chúng tôi hy vọng chúng sẽ rất rẻ, và với các cảm biến như vậy, vấn đề về chi phí đã được giải quyết. Các vật liệu khác như sợi cacbon có thể mang lại hiệu quả tương tự, nhưng lượng cần thiết sẽ gấp nhiều lần so với 0,5% graphene được thêm vào các miếng cao su của nhóm Coleman.
Hình 1: Graphene được phân tán vào cao su
Không chỉ là một nhà khoa học xuất sắc, Jonathan Coleman còn là phó chủ nhiệm dự án phát triển vật liệu của Graphene Flagship: một hiệp hội khoa học-công nghiệp do Ủy ban Châu Âu tài trợ. Các hoạt động của Graphene Flagship bao gồm toàn bộ công đoạn từ nghiên cứu vật liệu, kỹ thuật và sản xuất, thông qua các nhóm nghiên cứu và kết hợp tổng hợp. Mục đích của Graphene Flagship là tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển graphene từ phòng thí nghiệm sang qui mô công nghiệp và đẩy nhanh việc khai thác thương mại vật liệu đáng chú ý này.
Graphene có các đặc tính điện và cơ điện phù hợp với cảm biến chuyển động hiệu suất cao, và công trình của Coleman và các đồng nghiệp của ông mở ra một loạt các ứng dụng mới cho các cảm biến được làm từ cao su. Theo dõi sức khoẻ cá nhân chỉ là một trong số các ứng dụng cho các thiết bị như vậy, ngoài ra còn các ứng dụng giám sát hiệu suất của vận động viên, các thiết bị an toàn trong ô tô, robot.
