Công nghệ này đang thu hút sự quan tâm của các kỹ sư xây dựng có thể giảm hóa đơn tiền điện nhờ giảm thiểu cường độ ánh sang mặt trời trong mùa hè chiếu vào nhà, sử dụng nguồn sáng tự nhiên tạo ra năng lượng.

Nhưng chúng ta cũng cần cửa sổ thay đổi màu sắc theo độ ẩm ngoài trời, ví dụ trong mùa gió mùa hoặc những ngày nóng nực oi bức mùa hè?

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học, dẫn đầu là giáo sư tiến sĩ Jun Suk Rho, thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH), Pohang, Hàn Quốc gần đây phát triển công nghệ cơ bản cho những cửa sổ thông minh, thay đổi màu sắc theo sự biến đổi của độ ẩm, không cần nguồn điện.

Các cảm biến dùng nguồn năng lượng ánh sáng được sử dụng rộng rãi, từ đo nhịp tim trong điện tâm đồ, đến chất lượng không khí hoặc khoảng cách.

Nguyên tắc cơ bản dùng nguồn ánh sáng để phát hiện những thay đổi của môi trường xung quanh là sử dụng sự chuyển đổi bước sóng ánh sáng thành tín hiệu số, có thể được thực hiện bằng cách dùng các cấu trúc, được gọi là bộ cộng hưởng.

Nhiều cảm biến tận dụng hiệu ứng Giao thoa Fabry-Perot, theo nguyên lý này nhiều chùm ánh sáng phản xạ sẽ giao thoa với nhau khi ánh sáng chiếu qua một khoang không gian, giới hạn bởi hai bề mặt song song, tạo ra bằng cách sử dụng các màng mỏng.

Như đã biết, bước sóng cộng hưởng của ánh sáng truyền qua có thể điều khiển được theo độ dày và chỉ số khúc xạ lớp điện môi.

Tuy nhiên, các vật liệu hiện nay nhược điểm lớn, đó là không thể kiểm soát được chiều dài các bước sóng ánh sáng truyền qua, khiến việc sử dụng vật liệu hiện có trong những cảm biến biến đổi trở gặp khó khăn.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nhà khoa học Hàn Quốc phát triển thành công bộ lọc màu thay đổi từ bộ cộng hưởng kim loại – hydrogel- kim loại, sử dụng polymer chitosan trên cơ sở hydrogel làm chất điện môi, kết hợp bộ lọc màu với pin mặt trời để tạo ra cảm biến độ ẩm tự cấp nguồn.

Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Vật liệu Quang tiên tiến (Advanced Optical Materials).

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi chitosan hydrogel được chế thành cấu trúc màng mỏng kim loại hydrogel, bước sóng cộng hưởng của ánh sáng truyền qua vật liệu thay đổi theo thời gian thực, phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường.

Một bộ cộng hưởng Pérot Fabry điều chỉnh được thực hiện bằng cách sử dụng cấu trúc kim loại cách điện kim loại, trong đó chất cách điện là chitosan hydrogel.

Chitosan bị phồng lên hoặc co lại theo những thay đổi về độ ẩm môi trường xung quanh; ảnh hưởng đến cấu trúc màu sắc truyền qua kết cấu đa lớp. Bộ cộng hưởng có thể điều chỉnh này được sử dụng cho cảm biến độ ẩm kết hợp với tế bào quang điện.

 

 

Sự thay đổi dòng điện qua tế bào quang điện cung cấp phép đo chính xác nhanh chóng về độ ẩm tương đối và sự thay đổi màu sắc của đa lớp cung cấp một ước tính gần đúng, có thể dễ dàng nhận thấy. Hiện tượng phản hồi không cần cấp nguồn điện, do đó thiết bị có thể ứng dụng cho nhiều loại cảm biến.

Sử dụng cơ chế này, nhóm nhà khoa học Hàn Quốc thiết kế và phát triển một cảm biến độ ẩm, có thể chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng bằng phương thức kết hợp pin mặt trời với bộ lọc ánh sáng biến đổi bước sóng làm từ vật liệu kim loại – hydrogel - kim loại cấu trúc siêu vật liệu,  thay đổi bước sóng cộng hưởng tùy thuộc vào độ ẩm bên ngoài.

Nguyên tắc thiết kế là chồng lấp bước sóng cộng hưởng bộ lọc với bước sóng ánh sáng thay đổi nhanh mà pin mặt trời hấp thụ. Bộ lọc này được thiết kế nhằm thay đổi lượng hấp thụ ánh sáng của pin mặt trời, phụ thuộc vào độ ẩm làm thay đổi điện áp, kết quả là phát hiện sự thay đổi độ ẩm xung quanh.

Không giống như các cảm biến độ ẩm quang học thông thường, những cảm biến mới. được các nhà khoa học Hàn Quốc phát triển hoạt động trong bất kể nguồn ánh sáng, dù đó là ánh sáng tự nhiên, LED hay nguồn sáng trong nhà.

Hơn thế nữa, hoạt động của các cảm biến không chỉ hoạt động không cần nguồn điện bên ngoài, mà dựa trên màu của bộ lọc còn có thể xác định được độ ẩm không khí.

Giáo sư Jun Suk Rho, lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết: Công nghệ cảm biến này có thể được sử dụng ở những nơi có điều kiện đặc biệt, như lò phản ứng hạt nhân nơi con người và điện không thể tiếp cận.

Ông nói thêm: Công nghệ sẽ tạo ra sức mạnh tổng hợp thậm chí còn lớn hơn nếu tích hợp với công nghệ IoT, như cảm biến độ ẩm kích hoạt trang thiết bị cần thiết (ánh sáng, quạt) hoặc cửa sổ thông minh thay đổi màu sắc theo độ ẩm bên ngoài.