Sinh viên Bách khoa Hà Nội chế tạo thiết bị cảm biến khí đo khí độc trong môi trường

Giới thiệu về nghiên cứu của nhóm mình, Đỗ Văn Minh – K63, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội - đã chọn cách dẫn dắt rất “hút” người nghe: Người châu Âu xưa thường hay mang chim hoàng yến xuống hầm mỏ nơi họ làm việc, khi lượng khí độc như metan hay CO2 vượt quá mức cho phép thì chim hoàng yến sẽ chết trước và người ta có thể tránh được các mối nguy hại mà mình sẽ gặp phải. Tuy nhiên việc sử dụng động vật như vậy là không hợp lí bởi mỗi lần như vậy các con vật sẽ bị chết đi. Thay vào đó, nếu sử dụng các loại cảm biến có tính ổn định và độ lặp lại sẽ tốt hơn.

Dưới sự hướng dẫn của GS. Nguyễn Đức Hoà - Phó Giám đốc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm sinh viên năm 3,4,5 - Viện Vật lý kỹ thuật, trong đó sinh viên Đỗ Văn Minh làm trưởng nhóm cùng các sinh viên Trương Hồng Cường, Nguyễn Thị Mai Anh, Nguyễn Ngọc Minh đã “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí và thiết bị đo ứng dụng trong giám sát nồng độ khí độc trong môi trường”. Nghiên cứu khoa học này đã đạt giải Nhất cuộc thi Sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2022 của Đại học Bách khoa Hà Nội, giải Nhì cuộc thi Sinh viên Nghiên cứu khoa học toàn quốc năm 2022 do Bộ GD&ĐT tổ chức.

Được biết cùng thầy giáo hướng dẫn chính của nhóm là GS. Nguyễn Đức Hòa, nhóm sinh viên còn được các thầy/cô: PGS. Nguyễn Văn Duy, PGS. Đặng Thị Thanh Lê cùng các thầy/cô cùng nhóm cảm biến khí, Viện ITIMS hỗ trợ.

Áp dụng kiến thức học từ Bách khoa Hà Nội làm ra sản phẩm có ích cho cuộc sống

Nhóm sinh viên phân vai rất rõ ràng: Đỗ Văn Minh là người làm chính; Nguyễn Ngọc Minh hỗ trợ Đỗ Văn Minh và làm một số phần ở thiết bị đo; Trương Hồng Cường cùng làm về vật liệu; Nguyễn Thị Mai Anh hỗ trợ về công việc giấy tờ, báo cáo.

Đỗ Văn Minh tự hào kể về ý tưởng chế tạo một “con” cảm biến để đo được khí độc trong môi trường. Minh cho biết khi các nền công nghiệp nặng và nhẹ đang ngày càng phát triển thì các vấn đề liên quan tới ô nhiễm môi trường, ô nhiễm môi trường nước, không khí... luôn là mối quan tâm lớn của xã hội. Dù đã có những phương pháp cụ để để giảm thiểu ô nhiễm khí thải từ các hoạt động sản xuất hay trong sinh hoạt, nhưng tất cả các loại khí độc gây ra các mối nguy hại cho sức khỏe của con người thì lại tồn tại dưới dạng không màu không mùi không vị.

“Chúng ta cứ nói NH3 có mùi khai như trong nước tiểu nhưng đấy là ở nồng độ lớn thì mũi chúng ta có thể ngửi và phát hiện ra được. Còn khi nồng độ khí cỡ vài chục đến vài trăm ppm thì ta hoàn toàn không thể nhận ra được sự tồn tại của chúng. Chính vì vậy việc sử dụng các cảm biến có khả năng phát hiện các khí độc trên ở nồng độ rất thấp sẽ giúp phát hiện sớm và đưa ra các phương pháp giải quyết kịp thời.” – Minh chia sẻ.

Mục tiêu của nhóm sinh viên là làm thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng với ưu điểm chi phí không tốn kém. Nhóm đã tự thiết kế, tự làm. Thầy giáo Nguyễn Đức Hòa hướng dẫn, hỗ trợ tài liệu, kinh phí để sinh viên triển khai nghiên cứu.

Minh và các bạn tập trung khảo sát các loại khí như Amoniac, NH3, H2S, một số khí khác như như NO2. Khởi đầu, nhóm nghiên cứu chế tạo ra một loại vật liệu để nhạy với một hoặc nhiều loại khí. Sau đó, tập trung đo một loại khí là khí NH3.

Cảm biến được chế tạo ra hoàn toàn có thể đáp ứng được với mục tiêu ban đầu mà nhóm đã đặt ra. Dựa vào đồ thị đo độ đáp ứng khí của cảm biến, thiết bị vẫn cần thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục cao. Thiết bị đo khí hoạt động khá tốt, các chức năng được lập trình trên thiết bị hoạt động ổn định.

Hỏi Đỗ Văn Minh tập trung nghiên cứu khoa học như vậy có giúp ích cho bản thân em trong việc học tập không, Minh cười hiền: Được học thầy, học bạn giúp cho em nhiều kiến thức và kỹ năng sống!

Theo cậu sinh viên năm cuối, khi chế tạo cảm biến, điều mà nhóm đã rút ra được đó là sự kiên nhẫn trong nghiên cứu. Nhóm đã vượt qua nhiều thất bại trong quá trình chế tạo như: Mẫu chế tạo ra không đo được với khí/mẫu đã có thể đo khí thì khi ủ ở các nhiệt độ cao hơn lại bị phá hỏng cấu trúc; Trong quá trình chế tạo thiết bị, việc viết các chương trình điều khiển, hay chương trình ghép nối để các linh kiện trên thiết bị hoạt động tốt nhất và đúng với chức năng của nó cũng là một bài toán khó với những sinh viên không phải chuyên về điện tử…

Các thuật toán và điều khiển bên trong thiết bị đều do nhóm sinh viên tự lên ý tưởng và thực hiện dựa trên các kiến thức đã được giảng dạy tại chương trình đào tạo của Viện Vật lý kỹ thuật và theo các tài liệu tham khảo, các bài báo đã đọc được. Các phương pháp đo, xử lý số liệu thực nghiệm cũng được tham khảo từ các bài báo quốc tế, các cuốn sách của các giáo sư đi đầu về lĩnh vực cảm biến khí tại Việt Nam.

Chuyên ngành nhóm sinh viên học ở Đại học Bách khoa Hà Nội có kiến thức thiết kế 3D bằng phần mềm và lập trình nhúng. Minh tự tin chia sẻ: “Nhóm chúng em đã áp dụng kiến thức này để làm các chi tiết vỏ cũng như các linh kiện liên quan cho thiết bị. Đối với vỏ và các chi tiết liên quan, em vẽ trên phần mềm SolidWorks sau đó sử dụng máy in 3D để in thành các chi tiết cụ thể. Trong nghiên cứu này, em sử dụng phần mềm Arduino IDE làm môi trường để lập trình cho vi điều khiển trên MCU ESP32” cũng như phần mềm thiết kế Altium designer để thiết kế mạch điện tử.”

Trong quá trình chế tạo vật liệu và tiến hành thực nghiệm, thật tình cờ khi đặt nhiệt độ hoạt động tại 50°C cảm biến vẫn có thể nhạy với khí NH3 ở nồng độ thấp hơn 50ppm cụ thể là 5ppm cảm biến vẫn cho thấy độ nhạy khá tốt. “Điều này gợi ý cho em nghĩ tới việc ứng dụng thiết bị đo và cảm biến này trong việc chẩn đoán bệnh, cụ thể đo khí NH3 trong hơi thở để chẩn đoán bệnh viêm loét dạ dày do vi khuẩn HPV gây lên. Đây là sẽ một hướng nghiên cứu rất hay.” – Minh vui vẻ cho biết.

Kỷ niệm ngày thi NCKH cấp Bộ

Theo đuổi đề tài nghiên cứu từ năm thứ 3, Đỗ Văn Minh dành toàn bộ thời gian rảnh để vùi đầu suy nghĩ, miệt mài trong phòng thí nghiệm với đề tài nghiên cứu này. Đây cũng là đồ án tốt nghiệp của Minh. Nhớ lại những ngày tháng chuẩn bị và tâm lý hồi hộp khi đi thi, Minh chia sẻ về thử thách lớn nhất nhóm vượt qua khi thi NCKH cấp Trường là trả lời được những câu hỏi phản biện (tương đối nhiều) của các thầy/cô.

Rồi ngày trưng bày sản phẩm, nhiều thầy cô, các bạn sinh viên tham quan và hỏi về thiết bị, nhóm tự tin bật lên nhưng thiết bị không chạy vì hết pin. “Cũng hơi “quê” vì muốn trình diễn với mọi người mà sản phẩm lại “xịt”. Sau bọn em chạy về lab lấy sạc để sạc thiết bị. Mà lúc đó thì mọi người cũng đi hết rồi” – Minh nhớ lại.

Từ cọ sát thi cấp Trường, Minh và các bạn trong nhóm có tâm lý vững vàng hơn khi thi cấp Bộ. Hôm đó không ai được vào xem, trong phòng chờ, các nhóm lấy slide ra để đọc nhẩm, nhóm Minh báo cáo lượt thứ tư, cứ ngồi chờ thôi.  

Cậu sinh viên trưởng nhóm kể: Thấy các bạn chuẩn bị nhiều quá, chúng em cũng hơi hồi hộp. Lúc vào phòng Hội đồng có 7-8 thầy/cô ngồi đợi. Khi lên báo cáo, xưng danh là sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội, em thấy tự hào lắm. Nhóm em báo cáo khoảng 5 phút vì các thầy/cô đều đọc qua hết rồi. Hôm đó các thầy/cô đặt câu hỏi phản biện nhiều.

Minh nhớ nhất câu hỏi: Thiết bị của nhóm khi đo nồng độ khí độc trong môi trường thì các thành viên có biết tiêu chuẩn về khí độc trong một Nghị định do Chính phủ ban hành không? “Nội dung đó chúng em lại không tìm hiểu nên không trả lời được câu hỏi. Cô giáo nói: Điều cô quan tâm là nội dung này. Tiếc quá bọn em không trả lời được. Đó cũng là điều đáng tiếc nhất của nhóm và cũng là bài học để chúng em rút kinh nghiệm khi chuẩn bị cho một nghiên cứu khoa học của mình”.

Và người báo kết quả thi cho Minh chính là thầy giáo Nguyễn Đức Hòa. Đi công tác, từ châu Âu xa xôi, thầy nhắn tin với Minh: “Các em đạt giải Nhì rồi. Minh khao thầy và các bạn nhé!”. Niềm hạnh phúc trong cậu sinh viên Bách khoa như vỡ òa.

 “Học Bách khoa Hà Nội, em được gặp thầy Hòa!”

Đây là tâm sự rất chân thành của Đỗ Văn Minh về điều hạnh phúc nhất khi cậu học tập tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Trong suốt khoảng thời gian làm việc và học tập tại Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là làm việc tại viện ITIMS đã giúp cho các sinh viên có nhiều trải nghiệm thú vị và những kỷ niệm đáng nhớ. Minh chia sẻ “ITIMS như là ngôi nhà thứ 2 của em, bởi thời gian em ở ITIMS còn nhiều hơn thời gian em ở nhà”.

Hình ảnh GS. Nguyễn Đức Hòa trong Minh và các bạn làm nghiên cứu là: Thầy rất hiền. Khi nghiên cứu, thầy hướng dẫn và để sinh viên thực làm. Câu nói nhóm sinh viên nhớ nhất khi nghiên cứu đề tài này là: “Muốn làm gì thì đề xuất với thầy, thầy đầu tư cho mà làm!”. Thầy nói thế, nhưng tổng cộng nhóm chỉ đề xuất 3 lần cho đề tài này.
Hỏi nhóm: Thầy thoải mái thế sao không đề xuất nhiều lần hơn?

Đỗ Văn Minh: Chúng em học thầy tính cẩn thận, làm đâu chắc đấy để thầy đỡ tốn tiền, vất vả!

GS. Nguyễn Đức Hoà là một người thầy tâm huyết và nghiêm túc với công việc. Được học tập và làm việc với một trong những giáo sư đầu ngành đã giúp Minh và các bạn phát triển và trưởng thành hơn rất nhiều. Theo thầy Hòa học tập, nghiên cứu, Đỗ Văn Minh học cách làm việc, nghiên cứu của thầy, học cách viết báo cáo... Minh mong muốn được tiếp tục theo thầy Hòa học lên cao nữa tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Trước mắt, GS. Nguyễn Đức Hòa định hướng Minh và các bạn nâng cấp thiết bị tích hợp IoT để sau này chỉ cần cầm đo khí độc từ xa, không cần vào tận nơi để đo; nâng cấp đề tài để đo hơi thở, chẩn đoán bệnh, ứng dụng trong Y - Sinh.
 

Có một kỷ niệm với nhóm, được coi là thử thách với thầy giáo chưa bao giờ cáu kỉnh với học trò Nguyễn Đức Hòa. Đó là một lần làm thực nghiệm, có “tai nạn” nhỏ là hút khí NH3 ra để đo, hút đầy rồi bơm ra bị sốc khí, sinh viên hít nhiều khí cũng hơi khó chịu. “Chúng em cũng không dám kể lại với thầy. Nhỡ thầy lo cho sức khỏe sinh viên mà bực lên thì… Trước nay, thầy không bao giờ nói nặng với chúng em. Nghiêm nhất là lúc nộp báo cáo, làm chưa chuẩn chỉ, thầy bảo: Em theo thầy lâu thế rồi mà cũng chưa học được gì à? Bọn em sau này làm cẩn thận hơn vì không muốn thầy buồn.” – Minh nói nhỏ.