Công nghệ bức xạ đo độ dày của lớp băng trên tôm đông lạnh

Viện nghiên cứu thực phâm quốc gia Đan Mạch (DTU) và Tập đoàn Royal Greenland mới đây đã hợp tác phát triển và đưa ra một công nghệ mới có thể đo độ dày của lớp băng trên tôm đông lạnh. Đây là điều quan trọng cần biết để xác định mức độ tươi của tôm và giúp người tiêu dùng xác định được lượng tôm phù hợp. Giải pháp này dựa trên công nghệ bức xạ terahertz và công nghệ này có thể được sử dụng để đo độ dày của vô số vật liệu.

Terahertz là dạng sóng bức xạ mà cho đến nay hiểu biết về nó của các nhà vật lý vẫn còn rất hạn chế. Bức xạ này có phổ nằm giữa phổ vi sóng và hồng ngoại trong phổ điện từ, tương tác với cơ thể con người và các loại vật chất khác theo những cách chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Mặc dù được đánh giá có nhiều ứng dụng, những bức xạ này lại rất khó điều khiển. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học vẫn chưa thể tạo ra thiết bị có thể sử dụng bức xạ này.

Phổ điện từ là một dải bao gồm tất cả các tần số của bức xạ điện từ mà con người đã biết, từ sóng vô tuyến, vi sóng, đến tia X và tia gamma. Ngoại trừ vùng ánh sáng nhìn thấy, mắt người đều không thể nhìn thấy được tất cả các tần số còn lại trong phổ điện từ. Bức xạ Terahertz có phổ nằm ngoài vùng hồng ngoại của quang phổ khả kiến, nơi các bước sóng ngày càng dài ra. Tần số của những sóng này đã được chứng minh là tương ứng với sự rung động của nhiều phân tử trong cơ thể con người, bao gồm DNA và protein.

Sóng Terahertz nằm giữa vùng vi sóng và vùng hồng ngoại của quang phổ điện từ (Ảnh: Wikimedia)

Bức xạ Terahertz có khả năng xuyên qua nhiều vật liệu phi kim loại và phân biệt được các thành phần của chúng. Điều khiển được tính chất này, các nhà khoa học có thể phát triển những thiết bị mới để thăm dò khu vực xuyên qua chất mờ đục, như cho phép chúng ta phân biệt thuốc thật và thuốc giả mà không cần mở hộp thuốc. Các ứng dụng tiềm năng khác đến từ khả năng xuyên thấu của Terahertz liên quan đến việc ước tính độ dày và tính đồng nhất của lớp phủ trong các ngành công nghiệp ô tô và dược phẩm, cũng như phát hiện chuyển động phân tử trong cấu trúc tinh thể. Các công nghệ truyền thông cũng có thể được hưởng lợi từ sóng Terahertz, tần số của chúng có thể giúp tăng tốc kết nối Wi-Fi, vốn thường dựa vào vi sóng có tần số thấp hơn. Hấp dẫn hơn nữa là khả năng ứng dụng sinh học của Terahertz. Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng chúng có thể tương tác với các phân tử sinh học. Điều này phù hợp để tạo ra các công nghệ cảm biến và hình ảnh y sinh học mới có thể nâng cao hệ thống phát chẩn đoán ung thư da và hạn chế các dạng bức xạ ion hóa có hại.

Vậy, đối với công nghiệp thực phẩm, bức xạ Terahertz đo độ dày của vỏ trứng, đường sọc hoặc lớp băng trên tôm như thế nào? Simon Lehnskov Lange, Tiến sỹ tại DTU Fotonik, đứng đầu nhóm nghiên cứu đang phát triển một thiết bị nhỏ gọn và rẻ để đo độ dày của tất cả các loại vật liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả như đo lớp băng trên tôm đông lạnh. Ý tưởng phát triển của họ là sử dụng bức xạ Terahertz, có thể đâm xuyên qua nhiều chất khác nhau. Nguyên lý của công nghệ này là đo “tiếng vang” xác định độ dày của vật liệu với độ chính xác cao nhờ sự phản xạ của bức xạ tại khu vực chuyển tiếp giữa hai vật liệu khác nhau.

Hệ thí nghiệm đo (Ảnh: Bax Lindhardt)

Năm 2017, Simon Lehnskov Lange đã làm việc với DTU Food và biết rằng Royal Greenland cần một phương pháp nhanh chóng và thông minh để đo độ dày của lớp băng trên tôm đông lạnh. Royal Greenland giải thích lý do tại sao phải đảm bảo có lớp băng đều trên tôm đông lạnh: Việc tráng băng bảo vệ tôm khỏi bị ôi, không bị khô và không biến đổi hóa học, tôm được giữ đông lạnh sẽ đảm bảo an toàn thực phẩm, giữ được chất lượng. Việc tráng băng kéo dài thời gian bảo quản tôm. Tuy nhiên trên thực tế, quy trình tráng băng công nghiệp khi thực hiện có thể có nước từ vòi phun hơi quá nóng hoặc quá lạnh làm kích thước của tôm thay đổi. Điều này có nghĩa là độ dày lớp băng không hoàn toàn cố định và việc kiểm soát hàm lượng băng trong thực tế hiện là thách thức.

Các sản phẩm tráng băng thường được bán dựa theo trọng lượng và trọng lượng đó không được bao gồm trọng lượng băng. Khi người tiêu dùng mua một túi 200gram tôm đông lạnh thì phải thu được ít nhất 200gram tôm đã rã đông khi lớp băng tan hết. Vì tôm chỉ được cân sau khi tráng băng vì lý do an toàn thực phẩm, nên nhà sản xuất phải biết chính xác lượng băng được sử dụng. Hiện nay, hầu hết các công ty cung cấp thực phẩm đông lạnh đều kiểm tra tỷ lệ tráng băng theo cách thủ công bằng phương pháp truyền thống, tốn thời gian và không thực tế. Do đó, lợi ích kinh tế sẽ tăng nếu họ có thể đo chính xác lớp băng trên các sản phẩm của họ.

Đo độ dày của băng trên tôm chỉ là một trong nhiều ứng dụng khả thi của công nghệ bức xạ Terahertz. Bức xạ Terahertz bị chặn lại bởi kim loại, nước và hơi nước, nhưng có thể xuyên qua và đo độ dày của nhiều loại vật liệu khác. Do đó, công nghệ này cũng có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, ví dụ như kiểm soát chất lượng xử lý bề mặt. Các nhà khoa học ban đầu xem xét việc kiểm tra thực phẩm, như đo độ dày của vỏ trứng. Vỏ trứng dày có nghĩa là trứng chắc, có thể chịu được hành trình đến tay người tiêu dùng hoặc có thể bảo vệ bào thai cho đến khi gà được nở. Theo phương pháp truyền thống, các nhà sản xuất trứng đã đo độ dày bất kỳ của vỏ trứng bằng cách đập vỡ quả trứng và sử dụng một vít micromet hay phương pháp âm học bằng cách đập quả trứng và đo tần số cộng hưởng hoặc sử dụng sóng siêu âm để đo trực tiếp. Tuy nhiên, các phương pháp đo này đòi hỏi phải tiếp xúc trực tiếp với trứng, vừa mất thời gian lại vừa phức tạp. Với bức xạ terahertz, chúng ta có giải pháp công nghệ cao, nhanh hơn, linh hoạt hơn mà không cần tiếp xúc trực tiếp giữa dụng cụ đo và quả trứng.