1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

LÊ HỒNG PHÚC

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CÁC HẠT OXIT SẮT Fe3O4
KÍCH THƢỚC NANO BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT
TỦA ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC VÀ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

:

TP. HỒ CHÍ MINH –Năm 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Luận văn thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH

Lê Hồng Phúc



Đây là đề tài hoàn toàn mới ở Việt Nam đang được các nhà khoa học trong
và ngoài nước rất quan tâm về khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực y sinh
học. Những kết quả mới nhất của đề tài này là thành quả mà tôi đã dày công nghiên
cứu cùng với các đồng nghiệp của phòng Vật Liệu Mới và Vật Liệu Cấu Trúc Nano
tại Viện Vật lý TP HCM trong những năm qua và vừa được báo cáo tại Hội Nghị
Vật Lý Chất Rắn toàn quốc lần thứ 5 tổ chức ở Vũng Tàu từ 12-14/11/2007.
Vì Vậy, tôi xin cam đoan là không sao chép bất kỳ một kết quả nào của
người khác.

TP HCM, năm 2008.
Lê Hồng Phúc

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


4

MỞ ĐẦU
Hàng ngàn năm trước đây, kể từ khi các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các
nguyên tắc đầu tiên về khoa học (đúng hơn là siêu hình học), thì các ngành khoa học đều
được tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học, chính vì thế người ta gọi họ là nhà
bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học. Đối tượng của khoa học lúc bất giờ là
các vật thể vĩ mô. Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ
phức tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học,
vật lí, hóa học, sinh học,... để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét. Sự phân
chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các
vật thể ở cấp độ nano mét. Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là

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
kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


5

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 liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng
đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên
nhân
này.
Ví dụ như v ật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các
nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song
song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác. Giữa hai đô men có một vùng
chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất
của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích

6

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 Fe3O4 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 Fe3O4 kích thƣớc nano
bằng phƣơng 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 Fe3O4 có kích thước nanô
và phủ chúng bằng lớp có hoạt tính sinh học cao để phục vụ cho các nghiên cứu trong lĩnh
vực y sinh học.
Đây là một đề tài mới, đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong
lĩnh vực công nghệ nanô, vừa có ý nghĩa khoa học vừa mang tính thực tiễn cao.
Từ các kết quả thực nghiệm thu được sẽ được biện luận, lý giải dựa trên những cơ
sở khoa học.
Nội dung của luận văn gồm bốn phần chính:
Phần 1. Tổng quan về các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 và chất lỏng từ.
Phần 2.Thực nghiệm - Mô tả quy trình tổng hợp các hạt Fe3O4 và chất lỏng
từ.

là khác nhau nhưng sắp xếp song song với trục dễ và mỗi đômen cách nhau bởi một vách
đômen mỏng [1,2]. Các hạt nanô từ là đủ nhỏ để được xem là một đơn đômen. Các đơn
đômen từ tồn tại để giảm năng lượng của hệ. Khi kích thước của hạt nanô từ giảm đến
một kích thước ngưỡng Dc, thì thể hiện bản chất đơn đômen lý thú.
Trong chương này, sẽ trình bày một cách khái quát các cơ sở của từ học và bản chất đơn
đômen cũng như tính siêu thuận từ, các phương pháp tổng hợp hạt nanô từ và ứng dụng
của chúng trong y sinh học đồng thời trình bày các thiết bị sử dụng và kỹ thuật liên quan
làm cơ sở lý thuyết cho công trình nghiên cứu.

1.1. Cơ sở từ học
1.1.1. Nguồn gốc của mômen từ
Các tính chất từ vĩ mô của vật liệu đều là hệ quả của các mômen từ gắn với từng điện tử.
Khái niệm này khá phức tạp và dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử. Trong luận
văn này, chỉ trình bày một sơ đồ được đơn giản hoá.
Mỗi electron trong một nguyên tử đều có các mômen từ với 2 nguồn gốc:
- Một liên quan đến chuyển động của nó xung quanh hạt nhân. Là một điện
tích chuyển động, mỗi electron có thể được xem như một dòng điện nhỏ, sinh ra một từ
trường rất yếu. Do đó có một mômen từ hướng dọc theo trục quỹ đạo của nó, gọi là
mômen từ quỹ đạo.

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


8

- Mặt khác, mỗi electron còn có một chuyển động riêng là chuyển động
xung quanh trục của bản thân (gọi là spin). Do đó xuất hiện một mômen từ nữa, bắt
nguồn từ spin điện tử hướng theo trục của spin, gọi là mômen từ spin điện tử (hay mômen

nhau.
Trong hệ đơn vị SI:
B = µ0( H + M )
(1.2)
µ0 là độ từ thẩm của chân không.
Tính chất từ của vật liệu thể hiện bằng cách xem chúng khác nhau ra sao đối với từ
trường ngoài. Vì thế, tỉ số của M và H được gọi là độ cảm từ và biểu hiện sự hưởng ứng
với từ trường ngoài [3,4]. Phương trình (1.3) thể hiện điều này:
χ =M/H
( 1.3 )

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


9

Tỉ số B và H được gọi là độ từ thẩm, nó thể hiện mức độ từ trường có thể xuyên
qua vật liệu. Phương trình (1-4) thể hiện đặc tính này:
µ=B/H
( 1.4 )
Từ phương trình (1.3) và (1.4) chúng ta thấy được mối liên hệ giữa độ cảm ứng từ
và độ từ thẩm:
µ= 1+4πχ
(1.5 )
Hay trong hệ đơn vị SI:
µ / µ0 = 1 + χ
(1.6 )
Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS.


emu/g

103

Độ từ thẩm μ

H/m

Không thứ nguyên

4 π x 107

Độ cảm từ χ

Không thứ
nguyên

emu/g.Oe

4π

1.2. Sự phân loạ i 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
là nghịch từ và thuận từ (hình 1.3). Các vật liệu nghịch từ không có bất kỳ electron không
có cặp nào, nên không có các mômen từ trong các vật liệu nghịch từ (hình 1.4a). Khi
được đặt trong một từ trường ngoài, các vật liệu nghịch từ tạo ra một độ từ hóa yếu ngược
với từ trường ngoài và cho một độ cảm từ âm[41]. Trong các vật liệu thuận từ, các
mômen từ sắp xếp hỗn loạn do các kích thích nhiệt (hình 1.4b). Theo định luật Curie

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


11

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Barry Williham Miller (2001`) , Synthesis and characterization of
funtionalized magnetite nanocomposite particles for targeting and retrival application.
[2] Beck H.P, W. Eiser, W.Haberkorn, R.J European Ceramic Soc (2001),21, pp.
687.
[3] Bejamin J.S, Metall. Trans .(1970),1, pp. 2943.
[4] Cao X, Y.Katabi, G.Prozorov, R.Felner, A.J.Mater. Chem (1997),7,pp. 1007.
[5] Carmen Bautista M, Orcar Bomati_ Miguel, Maria del Puerto Morales, Carlos
J.Serna, Sabino Veintemilas_Verdaguer (2005), “Surface characterisation of dextran_
Coated iron oxide nanoparticle prepared by lases pyprolysis and coprecipitation.”
[6] Cullity B.D, Introduction to Magnetic Materials, Addíon_ Wesley (1972)
[7] Davis, J.T.Rideal, E.K.Interfacial Phenomena, Academic Press: New York
(1963).
[8] Elster A and Burdette, Questions and

Answer in Magnetic Resononce

Imaging (St Loui, USA:Mosby) (2001).
[9] Goya G.F; H.R Rechenberg, Material Scince Forum (1999),pp. 302-303,406.
[10] Ghosh N.N, P.Pramanik, Materials Science and Engineering (2001),16,pp.
113.
[11] Hench, L.L. West, J.K.Chem.Rev (1990),90,pp. 33.
[12]

Advanced Magnetic Nanostructures, D.J Sellmeyer and R.S Skomski, Editors(2005),
Kluwer: New York.
[23] Livingston J.D, Driving Forces: The Natural Magic of Magnets ,Harvard
University Press:Cambridge, (1996).
[24] Lopez_ Perez J.A., M.A. Lopez_Quintela, J. Mira, Rivas, IEEE Transactions
Magnetics,1997 ,33, pp. 4359.
[25] M.S. Krakov (1993), Magnetic fluid, Oxford University press, New York.
[26] OHandley R.C, Modern Magnetic Materials: Principles and Application;
Wiley & Sone, Inc: New York (2000).
[27] Pankhurst Q.A, J Connoly, S K Jones and J. Dobson (2002), Application of
magnetic nanoparticles in biomedicine.
[28] Pankhurst Q.A, J Connoly, S K Jones and J. Dobson, J. Ph ys. D: Appl. Phys,
36 (2003)
[29] Petrere M, A.Gennaro, N.J. Burriesci Mat. Sci (1982),17,pp. 429.
[30] Pitkethly M.J, Nanotoday, 7(2004) 20.

Luận văn thạc sĩ

Lê Hồng Phúc


13

[31] Prozorov J.T, R Koltypin, Y Felner, I.Gendaken, A.J.Phys.Chem (1998), 102,
pp. 10165.
[32] Rosensweig R.E, Ferrohydrodynamics(1985), Cambridge: Cambridge
University Press.
[33] Shafi K.V.P.M, Y Koltypin, A.Gedanken, R.Prozorov, R.Balogh, J.Lendvai,
J.Felner, I.J.Phys. Chem (1997),101,6409.
[34] Smit J, H.P.J.Wijn (1959), Ferrites, John Wiley and Sonj, New York.