Theo dõi khối lượng thông qua các môi trường khắc nghiệt yêu cầu các hạt thay thế chịu được sự kiện và tồn tại cho đến khi lấy mẫu. Các nhà khoa học trước đây đã báo cáo về khả năng sống sót của các thiết bị theo dõi hạt siêu bền trong các vụ nổ.
Trong một nghiên cứu mới của Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL), các nhà khoa học đã tạo ra các hạt đánh dấu chắc chắn có thể tồn tại và phát triển trong điều kiện khắc nghiệt.
Thuốc nhuộm huỳnh quang và các vật liệu hữu cơ khác thường được sử dụng làm chất đánh dấu trong nghiên cứu sinh học để xác định vị trí tế bào và phát hiện rò rỉ nước. Chúng hoạt động đáng ngưỡng mộ trong một số trường hợp nhất định, nhưng chúng kém hiệu quả hơn trong việc truy tìm vật liệu trong các vụ nổ. Vấn đề của họ là: họ đốt cháy.
Trong nghiên cứu này, thay vì sử dụng các vật liệu hữu cơ, các nhà khoa học tập trung vào các vật liệu vô cơ để phát triển các công cụ theo dõi gồ ghề của chúng—đặc biệt là chấm lượng tử.
Nhà nghiên cứu PNNL April Carman cho biết, “Mặc dù chúng hoạt động tốt hơn nhiều so với vật liệu hữu cơ trong điều kiện khắc nghiệt, nhóm nghiên cứu vẫn cần bảo vệ các chấm lượng tử khỏi các điều kiện khắc nghiệt của vụ nổ hóa học.”
“Việc tìm ra cách bảo vệ thiết bị đánh dấu trong khi vẫn duy trì cường độ phát quang của nó tỏ ra khó khăn.”
Môi trường địa phương tác động đáng kể đến độ sáng của thiết bị đánh dấu—hoặc cường độ phát quang. Một số biện pháp phòng ngừa có thể làm giảm độ sáng, khiến việc tìm kiếm trở nên khó khăn hơn. Do đó, các nhà khoa học đã quyết định sử dụng silica ngậm nước—“về cơ bản là thủy tinh ngâm trong nước” để bảo vệ các chấm lượng tử và duy trì độ sáng của chúng.
Các chất đánh dấu được phủ lớp do nhóm PNNL tạo ra gần như phát sáng như các chấm lượng tử ban đầu, mặc dù các kỹ thuật phủ silica trước đó đã làm giảm đáng kể độ sáng của chất đánh dấu. Thử nghiệm bổ sung cho thấy các hạt này có thể chịu được các mức độ pH khác nhau trong thời gian dài.
Hubbard nói, “Chúng tôi biết mình đã tạo ra điều gì đó đặc biệt khi nhìn thấy thành quả của mình.”
Thật may mắn cho nhóm PNNL, phương pháp tổng hợp của họ được thiết kế để có thể mở rộng hoàn toàn nhằm tạo ra số lượng lớn—từ kilôgam đến tấn tiềm năng mỗi ngày.
Nhà nghiên cứu PNNL Michael Foxe cho biết, “Họ không chỉ có thể tạo ra số lượng lớn thiết bị theo dõi mà còn có thể tùy chỉnh chúng. “Chúng tôi có thể điều chỉnh kích thước và màu sắc của thiết bị theo dõi theo bất kỳ đặc điểm nào. Thiết bị đánh dấu có thể được tinh chỉnh để tạo ra sự bắt chước của khối lượng hoặc vật liệu đang được theo dõi. Chúng tôi cũng có thể sử dụng nhiều kích cỡ với màu sắc khác nhau để hình dung một vụ nổ ảnh hưởng đến các hạt có kích cỡ khác nhau như thế nào.”
Các nhà khoa học lưu ý, “Các thiết bị theo dõi đủ chắc chắn để triển khai trong môi trường khắc nghiệt nhằm theo dõi khối lượng và nâng cao hiểu biết của các nhà khoa học về vận mệnh và vận chuyển của môi trường. Chúng có thể hoạt động trong những điều kiện quá khắc nghiệt đối với các thiết bị theo dõi truyền thống—chẳng hạn như trong các nhà máy lọc dầu khí hoặc nhà máy địa nhiệt. Với các tham số có thể điều chỉnh và một hệ thống dễ sử dụng, những thiết bị theo dõi này có nhiều ứng dụng tiềm năng để theo dõi số phận và vận chuyển vật liệu trong môi trường khắc nghiệt.”
Carmen nói, “Chúng tôi rất vui vì có thể tiếp tục theo đuổi dự án này bất chấp sự hoài nghi ban đầu. Chúng tôi cũng rất vui mừng khi thấy nó sẽ dẫn chúng tôi đến đâu tiếp theo.”
Tạp chí tham khảo:
- Hubbard, L., Reed, C., Uhnak, N. et al. Các vi hạt silica phát quang, quá trình tổng hợp và thử nghiệm môi trường. MRS Communications 12, 119–123 (năm 2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00150-3
