Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ Fe3O4 và thử tính chất xúc tác phân hủy chất màu của nó

  • Số trang: 47 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 83 |
  • Lượt tải: 0
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe3O4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGHỆ AN - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe3O4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.0113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HOA DU Học viên thực hiện: PHẠM ĐÌNH GIANG NGHỆ AN - 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS thầy Nguyễn Hoa Du, người thầy tâm huyết đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên khích lệ cũng như dành thời gian trao đổi và định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS cô Phan Thị Hồng Tuyết, các thầy cô trong Bộ môn Hóa vô cơ, Hóa phân tích, Hóa hữu cơ, Hóa lý. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Vinh, Ban Giám đốc Trung tâm Thực hành - Thí nghiệm, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Vinh cùng các Thầy giáo, Cô giáo thuộc Khoa Hóa học trường Đại học Vinh, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình làm việc để tôi hoàn thành luận văn này. Vinh, tháng 11 năm 2014 Phạm Đình Giang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6 LỜI CẢM ƠN 7 MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ Fe3O4 9 1.1. Cấu trúc và tính chất của nano từ Fe3O4 9 1.1.1. Cấu trúc tinh thể hạt nanô ôxit sắt từ Fe3O4 9 1.1.2. Tính chất của hạt nanô từ Fe3O4 10 1.2. Các phương pháp tổng hợp nano từ Fe3O4 13 1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa 13 1.2.2. Tổng hợp sol-gel 13 1.2.3. Tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) 14 1.2.4. Phương pháp vi nhũ tương (microemulsion) 14 1.3. Một số ứng dụng của nano từ Fe3O4 15 1.3.1. Y sinh học 15 1.3.2. Công nghệ điện tử, công nghệ thông tin 18 1.3.3. Công nghệ chế tạo máy, công nghiệp nhẹ 18 1.3.4. Năng lượng mới 19 1.3.5. Công nghệ xử lý môi trường 19 1.4. Một số hướng nghiên cứu gần đây về nano từ Fe3O4 19 1.4.1. Vật liệu nanocomposite Fe3O4/chitosan 19 1.4.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe3O4/SiO2 20 1.4.3. Bọc GPTMS lên hạt Fe3O4/SiO2 22 1.4.4. NC-F20 vật liệu chặn an toàn trong xử lý asen 24 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 26 2.1. Hóa chất 26 2.2. Dụng cụ 26 2.3. Thiết bị đo 26 2.4. Phương pháp tổng hợp nano từ Fe3O4 27 2.5. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu nano từ Fe3O4 27 2.6. Phương pháp khảo sát khả năng xúc tác của nano từ Fe3O4 phân hủy hợp chất màu xanh methylen 28 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Tổng hợp nano từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 31 3.2. Phân tích nhiễu xạ tia X 31 3.3. Kết quả ảnh SEM 36 3.4. Kết quả đo đường cong từ hóa M(H) 37 3.5. Khảo sát khả năng xúc tác của Fe3O4 phân hủy MB 39 3.5.1. Phương trình đường chuẩn MB 39 2 3.5.2. Thí nghiệm trắng 3.5.3. Thí nghiệm 1 3.5.4. Thí nghiệm 2 3.5.5. Thí nghiệm 3 3.5.6. Thí nghiệm 4 3.5.7. Thí nghiệm 5 3.5.8. Thí nghiệm 6 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 41 41 42 42 43 44 47 48 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT d: Kích thước hạt trung bình β: Độ rộng nửa chiều cao peak K: Hệ số định dạng λ: Bước sóng của máy XRD θ: Góc Bragg, góc tương ứng của peak (1): Phương trình tổng hợp Fe3O4 (2): Công thức Scherrer MB: Chất màu xanh methylen có công thức C16H18ClN3S.3H2O XRD: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) M(H): (Đường cong từ hóa) được đo bằng từ kế mẫu rung(Vibrating Sample Magnetometer- VSM) UV-Vis: Tử ngoại khả kiến (Ultraviolet–visible spectroscopy) 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp ................................................... 9 Hình 1.2. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe3O4 ........................ 9 Hình 1.3: Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản ................................................... 14 Hình 1.4. Ảnh TEM và đường cong từ hóa của vật liệu nanocomposite Fe3O4/SiO2 ................................................................................................... 19 Hình 1.5. Đường cong từ hóa và ảnh TEM của vật liệu Fe3O4/SiO2 ............. 19 Hình 1.6. Đường cong từ hóa của vật liệu Fe3O4/SiO2/GPTMS .................... 21 Hình 3.1. Kết tủa nano từ Fe3O4 mới hình thành và sau khi lọc rửa, sấy khô 29 Hình 3.2. Phổ XRD của vật liệu Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ phòng ................ 30 Hình 3.3. Phổ XRD của vật liệu Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ 50oC .................. 30 Hình 3.4. Phổ XRD của vật liệu Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ 70oC .................. 31 Hình 3.5. Phổ XRD của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ phòng, 50oC, 70oC ......... 31 Hình 3.6. Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc kích thước vào nhiệt độ ................. 33 Hình 3.7. Ảnh SEM của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ phòng ............................ 34 Hình 3.8. Ảnh SEM của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ t = 50oC 34_Toc401882982 Hình 3.9. Ảnh SEM của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ t = 70oC ......................... 35 Hình 3.10. Đường cong từ hóa của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ phòng ........... 35 Hình 3.11. Đường cong từ hóa của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ 50oC ............. 36 Hình 3.12. Đường cong từ hóa của Fe3O4 điều chế ở nhiệt độ 70oC ............. 36 Hình 3.13. Phương trình đường chuẩn MB ................................................... 37 Hình 3.14. Sự biến thiên hiệu suất phân hủy MB theo thời gian ................... 42 Hình 3.15. Thu hồi xúc tác nano Fe3O4 sau thí nghiệm phân hủy MB .......... 42 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của nano Fe3O4 ....................... 9 Bảng 3.1: Số liệu phép đo XRD của hạt nano Fe3O4..................................... 32 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc kích thước hạt nano Fe3O4 vào nhiệt độ phản ứng xác định theo phổ XRD ................................................................................ 33 Bảng 3.3. Xây dựng đường chuẩn MB ......................................................... 37 Bảng 3.4. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm trắng ...... 38 Bảng 3.5. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 1 ............ 38 Bảng 3.6. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 2 ............ 39 Bảng 3.7. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 3 ............ 39 Bảng 3.8. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 4 ............ 40 Bảng 3.9. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 5 ............ 40 Bảng 3.10. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 6 .......... 40 6 MỞ ĐẦU Có thể nói rằng vật liệu nano là một trong những lĩnh vực thu hút các nhà nghiên cứu khoa học. Từ đó gắn với việc công bố các kết quả thu được có ý nghĩa thực tiễn đối với xã hội loài người. Vật liệu nano ở đây có nghĩa là nanô mét, một phần tỷ của một mét. Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng đã và đang được quan tâm vì nó không thể thiếu trong công nghệ hiện đại.Với nhiều tính năng của vật liệu nano như: thiết bị điện tử, xử lý ô nhiễm nước, y- sinh học, điều trị ung thư, năng lượng sạch… Điều đó cho ta thấy khoa học ngày nay có nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt đó là công nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống của loài người. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ Fe3O4 và thử tính chất xúc tác phân hủy chất màu của nó”. Nội dung của đề tài gồm: Chương 1: Tổng quan về các hạt nano từ Fe 3O4. Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Kết luận và tài liệu tham khảo. 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ Fe3O4 1.1. Cấu trúc và tính chất của nano oxit sắt từ Fe3O4 1.1.1. Cấu trúc tinh thể hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 Fe3O4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể là Fe, Ni, Co, Mn,…). Các ferit có cấu trúc spinel thường hoặc spinel nghịch. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O 2lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện. Ôxit sắt từ Fe 3O4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị lập phương tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+. Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ 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+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đó, mômen từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vậy mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe 2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe 3O4 như hạt đơn đômen [12]. 8 Oxy B-Vị trí bát diện A-Vị trí tứ diện Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp [8] Tứ diện: Fe3+(3d5) Bát diện: Fe2+(3d6) Fe3+(3d5) Spin tạo nên momen từ của phân tử. Hình 1.2. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe 3O4 [8] 1.1.2. Tính chất của hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 Bảng 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của nano Fe 3O4 [14] Điện Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung 1-100 9 bình 1-10 Hiệu ứng đường ngầm Từ Quang Siêu dẫn Cơ Xúc tác Siêu Vách đômen 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Hình học topo bề mặt 1-10 phân Độ dài Kuhn tử Miễn dịch 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Tính chất quan trọng nhất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước nano của chúng có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí 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. 10 Khi kích thước giảm xuống còn nanomet, thì có 2 hiện tượng đặc biệt sau: (i) Hiệu ứng bề mặt Tỉ số giữa số nguyên tử bề mặt và số nguyên tử trong cả hạt nano trở nên rất lớn, thí dụ: đối với một hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ các nguyên tử có kích thước trung bình a, tỉ số này là: Nmặt ngoài / N ≈ 3a/R Với R = 6a ~ 1 nm, thì một nửa số nguyên tử nằm trên bề mặt. Diện tích bề mặt lớn của các hạt nano là một lợi thế khi chúng được ứng dụng để tàng trữ khí vì các phân tử khí được hấp phụ trên bề mặt, hoặc khi chúng được ứng dụng trong hiện tượng xúc tác, trong đó các phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác. Mặt khác, năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, kết quả là các hạt nano nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu khối tương ứng. (ii) Hiệu ứng lượng tử Khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr thì có thể xảy ra hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effects), hay còn gọi là hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effects) trong đó các trạng thái electron cũng như các trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hóa. Các trạng thái bị lượng tử hóa trong cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất vật lý và hóa học nói chung của cấu trúc đó. 1.2. Các phương pháp tổng hợp nano từ Fe3O4 1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tinh. Các mầm kết tinh đó sẽ phát triển thông qua quá trình 11 khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nanô. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới. Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt... Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ôxit sắt cũng như các hạt nano từ tính Fe 3O4 [1]. 1.2.2. Tổng hợp sol-gel Thông qua các cơ chế tổng hợp sol-gel kinh điển, chúng ta có mạng vật liệu lai vô định hình, mạng này hình thành từ quá trình thủy phân các alkoxide kim loại đã được biến tính phần hữu cơ hoặc các alide kim loại và alide kim loại đã được ngưng tụ với alkoxide kim loại. Dung môi có thể chứa các phân tử hữu cơ, phân tử sinh học hoặc polymer đa chức mà nó có thể tạo nối ngang hoặc tương tác với hoặc bị giữ lại bên trong phần vô cơ của vật liệu nano lai nhờ các tương tác (liên kết hydro, tương tác p-p, lực Val der Waals). Hướng này đơn giản, rẻ và tạo ra vật liệu nano lai vô định hình. Các vật liệu này cho cấu trúc micro không xác định, trong suốt và dễ định hình dạng màng hay khối. Chúng có kích thước đa phân tán và không đồng nhất trong thành phần hóa học. Tuy nhiên vật liệu tổng hợp từ hướng này rẻ, đa dụng, có nhiều tính chất cơ lý đáng quan tâm và đang có ứng dụng thương mại trong dạng màng hay khối. Hiện tại, việc kiểm soát cấu trúc cục bộ hoặc bán cục bộ cũng như mức độ tổ chức của vật liệu loại này là các vấn đề quan trọng trong việc tạo ra những tính chất như ý [5]. 1.2.3. Tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt trong dung môi phân cực (nước, formamide, v.v…) với sự có mặt các phân tử khuôn gốc hữu cơ cho ra các sản phẩm zeolite. Các sản phẩm này có diện tích bề mặt rất cao. Một số vật 12 liệu zeolite lại mang tính từ hoặc điện. Sản phẩm có cấu trúc khung cơ- kim (Metal Organic Framwork- MOF) đi từ phương pháp này hiện đang cho các ứng dụng xúc tác và hấp phụ khí. Các phương pháp phân hủy nhiệt, vi nhũ tương thường dẫn đến quá trình phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ tương đối cao. Là một thay thế, tổng hợp thủy nhiệt bao gồm kỹ thuật hóa học ẩm ướt khác nhau về kết tinh những chất liệu trong lọ kín từ dung dịch dung nước ở nhiệt độ cao (thường nằm trong khoảng từ 130 đến 250 0C) ở áp suất hơi nước cao (thường nằm trong khoảng 0,3-4 MPa). Kỹ thuật này cũng đã được được sử dụng để di chuyển tự do các hạt đơn tinh thể và các loại hạt được hình thành trong quá trình này có thể có độ kết tinh tốt hơn so với các quá trình khác, do đó tổng hợp thủy nhiệt để có được những hạt nano oxit sắt dạng tinh thể [14]. 1.2.4. Phương pháp vi nhũ tương (microemulsion) Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nanô. Với nhũ tương “nước – trong - dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu. Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất [6]. 1.3. Một số ứng dụng của nano từ Fe3O4 Vật liệu nano không chỉ đại diện cho sự thay thế đầy sáng tạo trong thiết kế vật liệu và các hợp chất mới trong nghiên cứu hàn lâm mà còn cho phép triển khai một cuộc cách mạng ứng dụng công nghiệp. Ngày nay, hầu hết các vật liệu lai đang có mặt trong thị trường là được tổng hợp và xử lý dựa trên kỹ thuật của hóa học trong thập niên 80 của thế kỷ 20. Những thế hệ mới các vật liệu nano này phát triển liên tục thông qua các nghiên cứu hàn lâm đã và đang là những quả ngọt cho các ứng dụng đầy lợi nhuận trong các lĩnh vực quang học, điện tử, truyền dẫn ion thể rắn, cơ khí, năng 13 lượng, môi trường, y- sinh học. Các ứng dụng cụ thể có thể thấy như màng lọc, thiết bị tách, màng phủ thông minh, pin nhiên liệu, tế bào mặt trời, chất xúc tác, cảm biến,…[6]. 1.3.1. Y sinh học 1.3.1.1. Phân tách và chọn lọc tế bào Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là: dextran, polyvinyl alcohol (PVA)... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày như hình sau: Hình 1.3: Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản [8] 14 Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hóa bề mặt) được trộn với nhau để các liên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại [4]. 1.3.1.2. Dẫn truyền thuốc Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u, ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i) Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc. (ii) Giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến. Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn… Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài. Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính, đó là việc sử dụng hạt từ tính như các hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị. Hệ thuốc/hạt từ tính tạo ra chất lỏng mang từ 15 tính đưa vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt này đi vào mạch máu, người ta dùng một từ tính mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào ngăn cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước 10 - 20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn [4]. 1.3.1.3. Tăng thân nhiệt cục bộ Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 - 100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô cảm ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 420C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô [4]. 1.3.2. Công nghệ điện tử, công nghệ thông tin Trong công nghệ thông tin nhu cầu sử dụng bộ nhớ có dung lượng lớn ngày càng cao. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra các chip máy tính với chấm lượng tử gọi là các chip nano (nano chip) có độ tích hợp 16 rất cao, cho phép tăng dung lượng bộ nhớ của máy tính. Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong chế tạo các linh kiện quang điện tử trong các màn hình tinh thể lỏng, thiết bị phát tia laze... với độ chính xác cỡ vài nano mét [6]. 1.3.3. Công nghệ chế tạo máy, công nghiệp nhẹ Các vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do có cấu trúc đặc biệt nên ống nano cacbon (cacbon nanotubes) hoặc các tổ hợp composite của chúng có độ bền cơ học cao gấp 10 lần thép, tính bền nhiệt cao, vì vậy, các ống cacbon là nguyên liệu rất thích hợp để sản xuất các thiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…Các vật liệu nano được điều chế dưới dạng aerogel có cấu trúc xốp và độ xốp cao thể làm vật liệu cách nhiệt, khử tiếng ồn, cách nhiệt…[6]. 1.3.4. Năng lượng mới Với công nghệ nano, người ta có thể tạo ra những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo, giúp con người sản xuất ra năng lượng sạch, hay tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng do sử dụng những loại vật liệu nhỏ nhẹ. Các màng nano (với chi phí sản xuất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn các vật liệu quang điện hiện nay. Đây là khởi đầu cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời [6]. 1.3.5. Công nghệ xử lý môi trường Các vật liệu xử lý môi trường đang là vấn đề đang được quan tâm, đặc biệt là vật liệu dùng trong công nghệ làm sạch nước. Các máy lọc được tạo ra bởi công nghệ nano với các màng lọc có đường kính lỗ chỉ vài nano như: màng lọc thẩm thấu ngược (RO), các màng vi lọc…có thể lọc được các vi khuẩn và virus trong nước và có thể tách loại được trên 99,8% các chất tan trong nước. Đối với vật liệu nano xuất hiện nhiều đặc tính nổi trội, 17 đặc biệt là khả năng xúc tác, hấp phụ... Lợi dụng các ưu thế đó các nhà khoa học đã và đang đi sâu nghiên cứu tìm tòi chế tạo các vật liệu hiệu năng cao, sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường: vật liệu hấp phụ, các vật liệu có khả năng xúc tác, xử lý các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các loại khí thải dễ bay hơi (VOCs)…[9]. 1.4. Một số hướng nghiên cứu gần đây về nano từ Fe3O4 1.4.1. Vật liệu nanocomposite Fe3O4/chitosan Năm 2013, nhóm tác giả D. Harikishore Kumar Reddy, Seung-Mok Lee [11] đã tổng hợp composit từ tính phủ chitosan làm vật liệu hấp thu các chất ô nhiễm độc ra khỏi nước. Các hạt nano composit từ có tốc độ hấp phụ nhanh, hiệu quả cao, dễ tách thu hồi và tái sử dụng. Khả năng xử lý có thể cả với kim loại và chất hữu cơ. Phương pháp điều chế thường chia 2 giai đoạn: thứ nhất là tổng hợp vật liệu hạt nano từ; thứ hai là bọc hạt nano từ bằng polime, chẳng hạn bằng kỹ thuật tạo liên kết giữa pha hữu cơ với pha vô cơ trong hệ vi nhũ tương nước/dầu. 1.4.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe3O4/SiO2 Một số kết quả của các công trình tổng hợp vật liệu Fe 3O4/SiO2 trên thế giới được công bố gần đây có chỉ số trích dẫn và đăng trên các tạp chí khoa học. Công trình của nhóm tác giả Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Jonathan Lee, Darren Delai Sun (2011) đăng trên tạp chí Royal Society of Chemistry (ACS) [13] công bố các kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4/SiO2: kích thước hạt khá nhỏ (~10-20 nm), có tính siêu thuận từ, độ từ hóa bão hòa ~ 52 (emu/g), lực kháng từ Hc~0. 18
- Xem thêm -