ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
LÊ HỒNG PHÚC
NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CÁC HẠT OXIT SẮT Fe
3
O
4
KÍCH THƯỚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT
TỦA ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC VÀ SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CÁC HẠT OXIT SẮT Fe
3
O
4
KÍCH THƯỚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT
TỦA ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC VÀ SINH HỌC
Chuyên ngành: Vật Liệu và Linh Kiện Nano
Mã số: (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS . TS TRẦN HOÀNG HẢI
:
Tôi xin bày tỏ lòng tri ân đến Thầy PGS. TS. Trần Hoàng Hải, Viện Vật
lý TP. HCM đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều về vật chất
lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập cũng như trong nghiên
cứu khoa học để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo Viện Vật Lý TP HCM
và đặc biệt Thầy TS Nguyễn Mạnh Tuấn- Phó Viện Trưởng tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi xin chân thành biết ơn các thầy, cô của trường Đại Học
Công Nghệ Hà Nội cũng như ở PTN Nano đã dày công hướng dẫn tôi
trong suốt quá trình học tập.
Và tôi rất biết ơn đến các bạn đồng nghiệp; Kim Dung, Lệ
Huyền, Khánh Vinh, Đức Long, Kim Thoa – Phòng Vật Liệu Mới và
Vật Liệu Cấu Trúc Nano, Viện Vật Lý TP HCM là những người bạn
đồng hành của tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, đã tận tình giúp
đở tôi rất nhiều điều hữu ích.
Tôi xin cảm ơn đến tất cả các bạn bè trong lớp Cao Học Khóa I
của chương trình liên kết giữa hai ĐHQG (TP HCM và Hà Nội) đã
chia sẽ cùng tôi những kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình học
tập.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn Gia Đình là nguồn động viên lớn nhất
của tôi trong cuộc sống cũng như trong học tập và nghiên cứu khoa
học.
Kính chúc các quí Thầy Cô và các Bạn luôn luôn dồi dào sức
khỏe, hạnh phúc và thành đạt.
Tác giả
Lê Hồng Phúc
nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến
8,6 tỷ đô la vào năm 2004. Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về
tài chính và nhân lực đến vậy? Bởi vì như chúng ta biết , khi ta nói đến nano là nói đến
một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ
của một giây. Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của
một mét. Nói một cách rõ hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng
nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất
phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu
rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano
(nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh
quốc thì:
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy
mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc,
thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
2
kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ
vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán
kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10
nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một
ngàn lần chu vi của trái đất.
Tại sao vật liệu nano lại có các tính chất thú vị?
Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so
sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là vấn đề kích
thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ
để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất của vật liệu. Vật liệu
nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật
quan tâm như độc tính, lớp phủ bề mặt, thời gian tồn tại trong cơ thể sinh vật.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
3
Các vật liệu từ nano cần phải tương hợp với thực thể sống. Vật liệu thường dùng hiện nay
là ô-xít sắt vì chúng rẻ, dễ dàng chế tạo và có tính chất từ khá đa dạng như tính siêu thuận
từ hoặc ferri từ. Nhược điểm của loại vật liệu này là chúng có mô men từ bão hòa (khoảng
100 emu/g) và độ cảm từ không lớn. Một số các vật liệu khác cũng được nghiên cứu và sử
dụng đó là sắt, cobalt, Ni, ferrite, FePt,
Tuy nhiên,các hạt có kích thước nano có xu hướng kết tụ để giảm năng lượng bề mặt, và
giảm lực Van Der Waals. Vì vậy người ta bao phủ xung quanh các hạt một chất hoạt hóa
bề mặt (surfactants) để giữ cho các hạt phân tán trong dung môi hoặc làm cho hạt có tính
tương hợp sinh học. Sự kết hợp giữa các hạt nano từ được bao phủ bởi các phân tử chất
hoạt hóa bề mặt trong một dung môi như nước hay dầu được gọi là chất lỏng từ (magnetic
fluid).
Qua nghiên cứu cho thấy, hạt nanô từ tồn tại trong chất lỏng từ phải không mang độc tố,
và phải tương thích sinh học với cơ thể người. Hạt nanô oxít sắt từ Fe
3
O
4
có khả năng đáp
ứng được những yêu cầu trên và đang được nghiên cứu, tổng hợp ở Việt Nam. Vì vậy tôi
chọn đề tài: Nghiên cứu, tổng hợp các hạt oxýt sắt Fe
3
O
4
kích thước nano bằng
phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong y học và sinh học.
Mục tiêu của luận văn này là tìm hiểu những tính chất và các đặc trưng của hạt nanô từ,
cũng như các ứng dụng của chúng:tiến hành tổng hợp các hạt Fe
3
4
rồi tiến
hành phủ Starch lên chúng để ứng dụng trong y sinh học.
Phần 4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
4
CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ TỪ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỪ
Như chúng ta đã biết, bản chất của các hạt từ nanô khác hẳn vật liệu khối của nó. Trong
các vật liệu khối, bản chất từ bị ảnh hưởng bởi các đômen và vách đômen (hình 1.1).
Các đômen từ là các vùng ở trong một tinh thể mà ở đó sự định hướng của các mômen từ
vật liệu khối.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
5
Đối với nguyên tử có một electron, chỉ có hai mômen từ: mômen từ spin và
mômen từ quỹ đạo tương tác với nhau, tạo ra liên kết spin–quỹ đạo (spin–orbit coupling).
Đối với nguyên tử có nhiều electron thì mômen từ của nguyên tử sẽ phụ thuộc vào liên
kết spin–quỹ đạo, spin–spin, quỹ đạo–quỹ đạo. Trong đó, liên kết spin–quỹ đạo là liên kết
yếu, do đó, có thể bỏ qua khi tính mômen tổng của nguyên tử. Hình 1.2. Các spin được tạo bởi chuyển động của điện tử.
Hạt nhân
Điện tử
Như vậy, m
ỗi điện tử trong nguyên tử có thể xem như một nam châm vĩnh cửu nhỏ có
mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. Trong mỗi nguyên tử cô lập, mômen từ quỹ đạo
cũng như mômen từ spin triệt tiêu lẫn nhau. Mômen từ của một nguyên tử chính là tổng
mômen từ của các điện tử trong nguyên tử, bao gồm cả mômen từ quỹ đạo và mômen từ
spin.
1.1.2. Các khái niệm cơ bản [1]
Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS.
Đại lượng Hệ đơn vị
SI
Hệ đơn vị (cgs)
Các hệ số
chuyển từ hệ cgs sang
hệ SI
Cảm ứng từ B T G 10
-4
Từ trường H A/m Oe 10
3
/4 π
Độ từ hoá M A/m emu/g 10
3
Độ từ thẩm μ H/m Không thứ nguyên 4 π x 10
7
Độ cảm từ χ
Không thứ
nguyên
emu/g.Oe 4 π
1.2. Sự phân loại theo tính chất từ
Các vật liệu từ có thể được phân thành các chất nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ và
ferit từ [2,5]. Hai loại phổ biến nhất bao gồm hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
7 Hình 1.3
: Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố.
và các mômen từ trở nên định hướng hỗn loạn, có bản chất giống như vật liệu thuận từ.
Các vật liệu phản sắt từ cũng tương tự như vật liệu sắt từ. Song do tương tác trao đổi với
các nguyên tử lân cận của chúng và các mômen từ của chúng sắp xếp phản song song với
nhau. Trên nhiệt độ chuyển tiếp, nhiệt độ Néel T
N
, các mômen trượt tiêu lẫn nhau và tự
định hướng giống như vật liệu thuận từ. Tương tự như vật liệu phản sắt từ, trật tự của các
vật liệu ferit là phản song nhau, nhưng độ lớn khác nhau hoặc số các mômen phản song
song không cân bằng nhau.
Hình 1.4
: Trật tự mômen từ của các chất (a) nghịch từ, (b)
thuận từ, (c) sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) ferit từ.
(
(
(
d
(
e
a
b
c
độ nhớt và mật độ cũng là những đại lượng đáng lưu ý khi đưa vào ứng dụng.
2.1 Độ từ hóa của chất lỏng từ[25]
2.1.1 Độ từ hóa trong trường ngoài.
Chất lỏng từ chỉ ổn định khi kích thước hạt đủ nhỏ, và nếu như kích thước hạt sắt từ nhỏ
hơn giá trị tới hạn thì những hạt đó sẽ có cấu trúc đơn đô men. Vì kích thước của các hạt
nanô từ dao động trong khỏang vài chục nanô mét nên có thể xem như các hạt trong chất
lỏng từ có cấu trúc đơn đô men. Và những hạt này đều hoạt động như những chất thuận từ
bất chấp bản chất vật liệu đặc trưng của chúng. Tuy nhiên, vì những hạt này có mômen từ
cao, nên năng lượng cần thiết để làm thay đổi hướng mômen từ của hạt có thể so với năng
lượng nhiệt của môi trường chung quanh với một tốc độ đáng kể nên chúng được gọi là
hệ siêu thuận từ.
Định luật từ hóa của một chất khí thuận từ được mô tả bằng hàm Langevin L(ξ):
M= nm (ctgξ -1/ξ) = M
s
L(ξ), M = MH/H (1.9)
Trong đó, ξ= μ
0
mH/(kT), μ
0
là độ từ thẩm trong chân không, H là cường độ từ trường, k
là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ tuyệt đối; n là số lượng hạt trên đơn vị thể tích, m
là mômen từ của một hạt.
Khi từ trường gia tăng (ξ →0), từ độ của hệ thu được giá trị bão hòa của nó M
s
=mn; và tất
cả các mômen từ của tất cả các hạt định hướng dọc theo từ trường:
M = M
s
[1-kT/(μ
0
M
1
)]
1/3
; d
0
m
∞
m
= [(6kT)/(π μ
0
H
0
M
1
)]
1/3
; (1.12)
Trong đó M
1
là từ độ của vật liệu, H
0
được xác định từ hình vẽ của M(1/ξ)/M
s
(hình 1.5)
và d
0
m
:d
nghiệm thay cho lý thuyết của Langevin. (Hình 1.6)
2.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ từ hóa:
Biểu thức (1.11) chỉ ra rằng trong sự hiện diện của trường yếu, độ từ cảm của chất lỏng
được mô tả bởi định luật Curie dành cho chất thuận từ
(
)
TCkTnmHM /3//
1
2
0
===
μχ
(1.13)
Tuy nhiên, bản chất sắt từ của độ từ hóa của các hạt không thay đổi và chúng cũng mang
tính chất sắt từ, đặc biệt là sự hiện diện của nhiệt độ Curie. Nhiệt độ Curie T
C
là nhiệt độ
của pha rắn mà khi vật liệu được đưa đến nhiệt độ đó, tính chất sắt từ của chúng sẽ biến
mất, tương tác trao đổi giữa những nguyên tử vật chất chấm dứt, cấu trúc đômen sụp đổ,
một chất sắt từ chuyển thành một chất thuận từ, và những tính chất từ không thể hiện rõ
được. Độ từ cảm thay đổi với nhiệt độ tùy thuộc vào định luật Curie – Weiss:
(
cc
TTC
)
−
= /
χ
(1.14)
Bảng 1.2 thể hiện nhiệt độ Curie và độ từ hóa bão hòa của những chất sắt từ khác nhau.
nhiệt độ sôi của chất lỏng. Do đó, sự phụ thuộc nhiệt độ của độ từ hóa của chất lỏng từ
thực được đặc trưng chủ yếu bởi hai yếu tố:
Đầu tiên, đó là sự tăng cường chuyển động nhiệt không có trật tự của những hạt từ được
mô tả bởi tham số Langevin ξ= μ
0
mH/(kT). Bên cạnh đó, sự dãn nở thể tích của chất lỏng
khi nhiệt độ gia tăng cũng làm giảm số hạt từ n trên đơn vị thể tích, cũng như là làm suy
giảm độ từ cảm của chất lỏng M
s
= nm. Sự biến đổi của n theo nhiệt độ n(T) được xác
định bởi hàm mật độ phụ thuộc nhiệt độ ρ(T):
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
11
n(T)= ρ(T)/α (1.16)
Hệ phương trình (1.9)(1.15)(1.16) cung cấp thông tin tòan bộ về sự phụ thuộc của độ từ
hóa theo nhiệt độ.
Bảng 1.2: Nhiệt độ Curie và độ từ hóa bão hòa của chất sắt từ
Chất sắt từ
Co Fe Ni Gd FeCo Fe
3
Al Fe
3
C GdCO
2
CdMn
2
t
0
C 1331 770 358 20 970 500 213 180 30
M
/3k. Cần phải lưu ý rằng sự phụ thuộc nhiệt độ của độ từ cảm
trong trường yếu (1.15) nhờ ở tương tác hay các hạt với trường hiệu dụng của một chất
lỏng từ. T
c
là nhiệt độ Curie của chất lỏng từ.
Khi từ trường lớn, ξ≥1 trong những chất lỏng nồng độ cao, một đường cong từ hóa sẽ
thay đổi cùng với một sự thay đổi trong cấu trúc bên trong của một chất lỏng từ. Những
thay đổi như vậy có thể xảy ra nếu có những hạt thô (≈20nm) trong chất lỏng từ, đặc
trưng cho một pha mới, đó là sự kết tụ. Khi những dạng kết tụ này hình thành, tất cả
những tính chất vật lý thay đổi một cách đáng kể, đường cong từ hóa không còn đều đặn
và ta có thể quan sát sự biến đổi đột ngột trên hình 1.7. Hình 1.7 : Đường cong từ hóa; 1-với từ trường
tăng , 2- với từ trường giảm sau 15 phút đặt mẫu
trong từ trường, 3- với từ trường giảm sau 5 phút
đặt mẫu trong từ trường. Bên cạnh đó, độ từ hóa không còn quá trình trễ bình thường và phụ thuộc vào tiền sử của
mẫu. Những đặc trưng trên phụ thuộc vào quá trình động học của sự hình thành và phá
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
12
vỡ kết tụ. Tuy nhiên, năng lượng cần thiết để phá vỡ kết tụ thì thật sự không đáng kể vì
chúng được quan sát chỉ trong những chất lỏng từ không chuyển động. Khi chất lỏng
chuyển động, kết tụ bị phá hủy và những hiệu ứng kể trên biến mất.
2.2 Độ nhớt của chất lỏng từ[25]
Cả hai cơ chế này có thể gây nên sự gia tăng độ nhớt của chất lỏng từ.
2.2.2 Ảnh hưởng của từ trường ngoài lên độ nhớt của chất keo sắt từ
Ngay cả với tương tác lưỡng cực – lưỡng cực không đáng kể giữa những hạt, khi không
có sự hình thành cấu trúc, độ nhớt của chất lỏng từ phụ thuộc vào từ trường. Sự phụ thuộc
này gây ra do từ trường tác động lên chuyển động của mômen từ và hậu quả là tác động
lên trên một hạt liên quan với chất lỏng.
Khi không có từ trường, một hạt từ quay tự do trong một mặt phẳng trượt với một vận tốc
góc ω. Khi áp một từ trường ngoài vào, hạt chịu tác dụng của mômen của lực m.H làm
thay đổi tốc độ quay của hạt. Kết quả là ma sát của hạt và chất lỏng xuất hiện. Nếu từ
trường đủ lớn định hướng của hạt bị sửa đổi, độ nhớt quay thu được giá trị cực đại.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
13
Một tác động có hướng của từ trường bị làm chậm bởi cả hai yếu tố lực thủy động lực học
và chuyển động nhiệt (~kT). Vì để một chất keo ổn định, tác động bất định hướng chủ yếu
lên mômen từ của hạt là chuyển động quay Brown.
2.2.3 Độ nhớt của chất keo sắt từ theo nhiệt độ
Độ nhớt của chất lỏng từ theo nhiệt độ được đặt trưng đầu tiên bởi những tính chất của
một chất nền ( chất lỏng mang). Đối với những chất lỏng nồng độ thấp, thì sự phụ thuộc
nhiệt độ của độ nhớt một chất lỏng mang là chủ yếu. Đối với những chất lỏng nồng độ
cao, độ nhớt hiệu dụng của một chất lỏng từ có chất nền là dầu chân không thì ít phụ
thuộc vào nhiệt độ hơn so với độ nhớt của chất nền .
2.3. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ [6] [8] [19]
Các hạt có dạng đa tinh thể thường chứa một số đômen với các hướng từ hoá khác nhau,
gọi là hạt đa đômen. Sự phân chia thành đômen là tính chất hết sức độc đáo của vật liệu
từ.
Nguyên nhân của sự phân chia thành đômen như vậy là do sự giảm năng lượng tự do của
vật thể bằng cách giảm trường phân tán trên bề mặt của vật thể. Bên cạnh đó, sự phân
chia đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ, bằng dạng năng lượng ở vách đômen.
Do đó, sự phân chia dừng lại khi năng lượng tự do của hệ đạt cực tiểu.
Trong những hạt có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia thành đômen lại làm tăng năng
S
là độ từ hoá bão hoà (A.m
-1
). Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong nguyên
tử sắp xếp với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Đó cũng là điểm khác biệt
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
14
giữa vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ
Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên
trong, làm cho các mômen từ nguyên tử dao động tự do. Do đó không còn từ trường bên
trong nữa, và vật liệu thể hiện tính thuận từ. Trong một vật liệu không đồng nhất, người ta
có thể quan sát được cả tính sắt từ và thuận từ của các phân tử ở cùng một nhiệt độ, tức là
xảy ra hiện tượng siêu thuận từ.
Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và
liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV
giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượng nhiệt sẽ
thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ.
Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:
− Đường cong từ hoá không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
− Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ H
C
H
C
theo kích thước hạt
Hình 1.9. Đường cong từ hoá của vật
liệu siêu thuận từ
2.4 Hạt nano oxit sắt từ Fe
3
O
4
2.4.1 Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe
3
O
4
)
Oxit sắt từ Fe
3
O
4
là một oxit hỗn hợp FeO.Fe
2
O
3
thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit
[15]. Công thức chung của ferit là MO.Fe
2
O
3
, với M có thể là Fe, Ni, Co, Mn hoặc Cu.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
của 8 ion Fe
3+
chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với
các spin của 8 ion Fe
3+
chiếm ở vị trí bát diện ( hình 1.11). Do đó, chúng triệt tiêu
lẫn nhau. Vậy mỗi phân tử Fe
3
O
4
vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe
2+
ở vị trí bát
diện gây ra và có độ lớn là 4μ
B
(Bohr magneton). Vì vậy, tinh thể Fe
3
O
4
tồn tại tính dị
hướng từ, tính chất khác nhau theo các phương khác nhau. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
16
Hình 1.11 Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe
3
O
4
4 Fe
3
O
4
+ O
2
6 γ-Fe
2
O
3
Ở nhiệt độ lớn hơn 300
0
C, magnetite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe
2
O
3
).
Khi khảo sát các tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất vật lý và hoá
học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn. Trong các dung dịch có nước như các nguyên tử Fe kết
hợp với nước, chúng dễ phân ly để tách nhóm OH trên bề mặt ôxit sắt. Các nhóm OH bề
mặt là lưỡng tính và có thể phản ứng lại với cả axit hoặc bazơ [30].
Sự tán sắc dung dịch bề mặt của magnetite sẽ là dương hoặc âm tính, phụ thuộc
vào độ pH của dung dịch. Điểm đẳng điện là độ pH ở bề mặt có số lượng dương và âm
tính bằng nhau. Điểm đẳng điện của magnetite có độ pH là 6,8 [30], tính ổn định của hạt
nano magnetite có thể đạt được do tầng kép tĩnh điện, do tính ổn định steric hoặc do sự
thay đổi điểm đẳng điện với lớp phủ axit citrate hoặc silic diôxit. Tính ổn định của hạt
nano ôxit sắt là rất quan trọng để thu được chất lỏng từ dạng keo ổn định nhằm chống lại
sự kết tụ trong từ trường.
trình sự tạo bọt trong chất lỏng hay tạo lỗ hổng. Sự tạo bọt trong chất lỏng được mô tả
như sự hình thành, phát triển và vỡ tan của các bọt [35] [36]. Khi sóng âm được đưa vào
trong chất lỏng, thì chu trình giảm áp của các sóng âm có thể sinh ra các bọt. Trong suốt
chu trình làm giảm áp hay chu kỳ mở rộng, áp suất ngược tác dụng vào chất lỏng kéo các
phân tử riêng ra và dần dần trội hơn cường độ tăng cục bộ của chất lỏng khi tạo ra các lỗ
hổng hay bọt. Các bọt sau đó lớn lên trong các pha giảm áp bằng cách hấp thụ năng lượng
từ sự bức xạ âm. Một khi các bọt đã phát triển đến kích thước tới hạn (thay đổi với các
chất lỏng khác nhau), chúng không còn hiệu quả để hấp thụ năng lượng nữa và điều này
cho phép chất lỏng xung quanh xâm nhập vào bọt làm nó nổ tung. Trong suốt quá trình nổ
hay lắng của các bọt này, một sức nóng tức thời rất ngắn (khoảng micrô giây) ở 5000
0
C
và vài trăm atmosphere có thể được sinh ra. Thông qua phương pháp âm hoá học, các ferit
như: NiFe
2
O
4
[33], Fe
3
O
4
[4] đã được tạo ra. Trong hầu hết các trường hợp, sản phẩm
cuối cùng là chất vô định hình và bị kết tụ lại làm cho khó thấy đặc tính của các hạt riêng
lẻ [31].
•
Nhược điểm: sản phẩm từ phương pháp này thường bị kết tụ và khó kiểm soát
được kích thước theo ý muốn.
3.3. Phương pháp Sol- gel
Sol có thể được xem như là một chất keo ở trạng thái huyền phù trong môi trường lỏng,
mặt hoá học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn.
3.4. Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương là sự phân tán của một chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng
màng phân cách của các hoạt tính bề mặt. Sự phân tán này có thể được phân loại như:
nước trong dầu (pha đảo) hay dầu trong nước (pha thuận). Trong hai loại vi nhũ tương
này, lượng chất hoạt tính bề mặt được sử dụng ở trên là nồng độ micell tới hạn của chúng.
3.4.1.Vi nhũ tương nước trong dầu với chất hoạt tính bề mặt ion:
Vi nhũ tương nước trong dầu được tạo ra để dùng làm chất hoạt tính bề mặt lưỡng tính.
Trong dung môi không cực, các dung môi hydro cacbon nhóm đỉnh cực tự liên kết và
hình thành cấu tạo micell. Những cái đuôi không cực mở rộng từ ngoài vào trong có khả
năng hoà tan tạo ra sự tán sắc ổn định nhiệt động. Với thành phần hoá học hoạt tính bề
mặt và nồng độ thích hợp, các lõi micell này cung cấp những môi trường cưỡng bức tạo
phản ứng nano cho phương pháp đồng kết tủa dung dịch muối sắt. Hai dung dịch chứa
nồng độ chất hoạt tính bề mặt ở trên nồng độ micell tới hạn được điều chế trong dung môi
không cực là heptane. Điều quan trọng là tất cả chất phản ứng phải được trộn cẩn thận với
chất khử oxi trước phản ứng để ngăn ngừa sự oxi hoá các loại ion Fe
2+
.
Sau đó pha trộn muối sắt vào một trong hai dung dịch và thêm bazơ mạnh vào bình còn
lại với số lượng giới hạn để các micell nở ra trong khi nhũ tương duy trì ổn định nhiệt
động. Sự pha trộn sạch được kết hợp với hàm lượng của lõi micell ngược để hình thành
hạt nano oxit sắt từ. Tuy nhiên, nồng độ của chất hoạt tính bề mặt đòi hỏi phải cao để tạo
ra dung dịch phản ứng nano. Hơn nữa, nhóm chức năng các hoạt tính bề mặt trong lõi
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
19
micell xem ra giới hạn tương đối cao. Ngoài ra nó chưa thể hiện rõ sự tổng hợp oxit sắt và
cấu trúc tinh thể của chúng liên quan đến các điều kiện sử dụng trong các phản ứng này.
3.4.2. Vi nhũ tương nước trong dầu với chất hoạt tính bề mặt không ion:
Chẳng hạn, trộn hỗn hợp ferit và fero hydroxit trong môi trường dung dịch, dưới tác dụng
của máy khuấy siêu âm hỗn hợp dung dịch này được kết tủa với bazơ (NH
4
OH, NaOH,
KOH) sẽ tạo được các hạt magnetite hình cầu có kích thước đồng nhất [37]. Ngoài ra,
việc điều chỉnh độ pH và nồng độ ion trong môi trường kết tủa có thể điều chỉnh kích
thước trung bình của các hạt. Độ pH và nồng độ ion trong môi trường kết tủa tăng lên sẽ
làm cho kích thước hạt giảm xuống.
Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng
kết tụ rất mạnh [29]. Các hạt kết tụ này làm hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, do đó
đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt. Sự cải biến này cho phép tổng hợp các hạt với sự có
mặt của các chất phủ bề mặt có tính tương thích sinh học Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
20
CHƯƠNG 4:CÁC ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC CỦA CÁC
HẠT NANO TỪ
Ứng dụng của hạt từ được chia làm hai loại: ứng dụng trong cơ thể và ứng dụng ngoài cơ
thể. Trong cơ thể gồm: nâng thân nhiệt, dẫn truyền thuốc và tăng độ tương phản trong
) vì chúng có tính
chất từ thích hợp và có tính tương thích sinh học. Các hạt được sử dụng phần lớn là các
hạt siêu thuận từ. Khi có từ trường xoay chiều tác dụng thì các hạt siêu thuận từ sẽ hưởng
ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay
vật lý và quay momen từ của hạt. Hai quá trình này được đặc trưng bởi hai thông số : thời
gian hồi phục Brown (t
B
) và thời gian hồi phục Néel (t
N
). Lượng nhiệt thoát ra p được xác
định bởi phương trình:
P = μ
0
π f C H
2
. (1.19)
µ
0
: độ từ thẩm của môi trường.
f: tần số của từ trường xoay.
C: thành phần lệch pha của độ cảm từ.
H: cường độ của từ trường.
Hình 1.12 Ứng dụng chất lỏng từ để phá hủy khối u bằng phương pháp tăng thân nhiệt
cục bộ.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc
21
4.2. Dẫn truyền thuốc[27] [39]
Vấn đề bất lợi lớn nhất của trị liệu hoá học là tính không đặc hiệu khi vào trong cơ thể,
thuốc sẽ không phân bố tập trung nên các tế bào mạnh khoẻ sẽ bị ảnh hưởng do tác dụng
Copyright: Tài liệu đại học ©