Tài liệu Nghiên cứu, tổng hợp các hạt oxit sắt fe3o4 kích thước nano bằng phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong y học và sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO LÊ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CÁC HẠT OXIT SẮT Fe3O4 KÍCH THƯỚC NANO BẰNG PHƯƠNG 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO LÊ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CÁC HẠT OXIT SẮT Fe3O4 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 : TP. HỒ CHÍ MINH –Năm 2008 LỜI CAM ĐOAN 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 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 TP HCM, năm 2008 1 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 phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới,... là phân chia theo chiều ngang. Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ trước. Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. Ở đây, đối tượng của khoa học và công nghệ nano, đó là vật liệu nano. Vậy thì,Vật liệu nano là gì? Vật liệu nano (nano materials) là một trong những loại vật liệu được nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ 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 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 vật 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 thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác. Ngày nay, vật liệu nano có rất nhiều ứng dụng trong đời sống, đặc biệt là vật liệu nano từ tính có một ý nghĩa hết sức quan trọng trong lĩnh vực y-sinh học để dùng trong việc chẩn đóan cũng như điều trị những căn bệnh ung thư ở người. Thuật ngữ từ học nano ứng dụng trong sinh học (nanobiomagnetism) [22] càng ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành khoa học mũi nhọn và có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống. Nó là một ngành khoa học kết hợp của ba ngành: vật lí, hóa học, và sinh vật học. Trong tự nhiên đã có rất nhiều các sinh vật sử dụng các hạt nano từ như các vi khuẩn, ong và những sinh vật định hướng bằng từ trường của trái đất. Nguyên tố từ tính chủ yếu trong sinh học là sắt và các hợp chất từ sắt. Việc áp dụng các nguyên tắc trong sinh vật lên cơ thể người là điều mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu. Từ hàng trăm năm trước, khi mà con người chưa hiểu rõ về nam châm [23] nhưng họ vẫn dùng nó để lấy các vật thể lạ bằng sắt ra khỏi các vị trí trong cơ thể. Nhưng những ứng dụng đó không nhiều và không có tầm quan trọng đặc biệt. Chỉ đến khi vật liệu từ có kích thước nano ra đời thì các ứng dụng mới phát triển mạnh mẽ. Để hiểu tại sao vật liệu nano có tầm quan trọng chúng ta cần phải biết một số giá trị kích thước của tế bào từ 10-100 nm, virus từ 20-500 nm, protein từ 5-50nm, giá trị kích thước gen có 2 nm chiều rộng và 10-100 nm chiều dài.Vật liệu nano có kích thước đủ nhỏ để có thể đi sâu vào các cơ quan mà không làm ảnh hưởng đến chức năng của chúng [38]. Vật liệu từ nano sinh học cần một số tính chất mà các ứng dụng thuần túy vật lí không 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 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 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 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. Phần 3. Kết quả và thảo luận: tóm lược các kết quả đã thực hiện ở phần thực nghiệm bằng các kết quả đo là X-ray, VSM, TEM, SEM, FT-IR để kiểm tra cấu trúc và tính chất của hạt Fe3O4. Biện luận, so sánh kết quả đã được tổng hợp với nồng độ NaOH và khối lượng starch khác nhau để từ đó đưa ra điều kiện tối ưu cho việc tạo hạt Fe3O4 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). Đômen Vách đômen Hình 1.1 : Biễu diễn đômen và vách đômen trong vật liệu khối. Các đômen từ là các vùng ở trong một tinh thể mà ở đó sự định hướng của các mômen 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. - 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 từ spin) được mô tả theo hình 1. 2. 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. Hạt nhân Điện tử Hình 1.2. Các spin được tạo bởi chuyển động của điện tử. Như vậy, mỗi 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] Nền tảng của hiện tượng từ dựa vào sự hưởng ứng mà vật liệu có được khi đặt vào từ trường ngoài. Các spin của các điện tử trong vật liệu cùng hướng với từ trường tác dụng để từ hoá các vật liệu. Từ trường ngoài H, sự hưởng ứng từ của vật liệu được gọi là cảm ứng từ B, mối liên hệ giữa B và H được xác định bởi phương trình: B=H+4πM (1.1) Với M là độ từ hoá của vật liệu. Độ từ hoá là moment từ của một đơn vị thể tích, và moment từ là đặc tính cấu thành nguyên tử, cũng như mối liên hệ giữa chúng với nhau. Trong hệ đơn vị SI: B = µ 0( 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 ) 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: Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc 6 µ / µ0 = 1 + χ (1.6 ) 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 103/4 π Độ từ hoá M A/m 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 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 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 (phương trình (1.7)), chúng ta có thể thấy rằng trật tự từ của các vật liệu thuận từ[1,16,20] bị ảnh hưởng do nhiệt độ theo công thức [6,7] : χ= C Τ (C là hằng số Curie) (1.7) Tuy các mômen từ trong các vật liệu thuận từ không tương tác nhau, nhưng định luật Curie chứng tỏ rằng với sự tăng của nhiệt độ, dao động nhiệt tăng, làm cho các mômen từ khó sắp xếp song song với nhau. Vì vậy vật liệu thuận từ chỉ có một độ cảm từ nhỏ nhưng dương. Các mômen từ trong các vật liệu sắt từ được sắp xếp song song với nhau (hình 1.4c). Nhờ trật tự từ của chúng, các vật liệu sắt từ [34] biểu thị độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài. Ở tại và trên điểm chuyển của nhiệt độ Curie ( ΤC ), trật tự từ tuân theo định luật Curie (1.6) χ= C (Τ − θ) (θ là hằng số Weiss) (1.8) 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 TN, 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. b ( a( c ( e (e d 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. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc 8 CHƯƠNG 2. CHẤT LỎNG TỪ – ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT Chất lỏng từ là chất keo phân tán của những hạt nanô từ, chúng không bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn và từ trường trung bình trên trái đất nhờ vào kích thước hạt nhỏ (vài chục nm). Chúng cũng có tính ổn định đối với sự kết tụ nhờ vào những lớp họat tính được phủ lên bề mặt của những hạt từ nanô. Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần, trong đó những tương tác nội tại phức tạp giữa các thành phần của nó diễn ra liên tục [42]. Vì thế tính chất keo có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thành phần chất lỏng cũng như tỉ lệ của những thành phần đó, nói rõ hơn là tùy thuộc vào quá trình chế tạo. Hiện nay, chất lỏng từ được nghiên cứu ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như: công nghệ, y sinh học, môi trường… Khả năng ứng dụng của một chất lỏng từ trong tùy thuộc rất nhiều vào những tính chất vật lý của nó vì mỗi một lĩnh vực ứng dụng sẽ được nghiên cứu dựa trên những tính chất đặc trưng của nó. Tuy nhiên, có một số tính chất quan trong nhất của chất lỏng từ liên quan đến khả năng tương tác với từ trường được gọi là độ từ hóa của vật liệu, cũng như 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) = MsL(ξ), M = MH/H (1.9) Trong đó, ξ= μ0mH/(kT), μ0 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 Ms=mn; và tất cả các mômen từ của tất cả các hạt định hướng dọc theo từ trường: M = Ms[1-kT/(μ0mH)] (1.10) Với từ trường yếu như ξ<< 1, từ độ của chất lỏng tăng tuyến tính với tham số Langevin ξ: M=[(μ0 nm2/(kT)]H = χH. Luận văn thạc sĩ (1.11) Lê Hồng Phúc 9 Hệ số tỉ lệ χ được gọi là độ từ cảm của chất lỏng từ; với số hạt trên đơn vị thể tích n~1023m-3 . Biểu thức (1.9) và (1.11) là những biểu thức cơ bản cho việc phân tích cấu trúc của một chất lỏng từ thông qua đường cong từ trễ. Trong đó, việc xác định đường cong của phần tư thứ nhất có thể cho chúng ta biết thông tin về phân bố kích thước hạt của chất lỏng từ d0 → d∞ m m d 0 = [(18χkT)/(π μ0MsM1)]1/3; d ∞ = [(6kT)/(π μ0H0M1)]1/3; m m (1.12) Trong đó M1 là từ độ của vật liệu, H0 được xác định từ hình vẽ của M(1/ξ)/Ms (hình 1.5) và d 0 :d ∞ khoảng kích thước hạt, gọi chung là phân bố kích thước m m Hình 1.5: Đường cong Langevin; a) M phụ thuộc ξ, b) M phụ thuộc 1/ξ Hình 1.6 Mô tả gần đúng về đường cong từ hóa cho những hạt từ được phủ bởi axit Oleic; 1-Hàm langevin với d 0 = 8.1nm, 2- Hàm langevin với d 0 = 10.8nm, 3- đường cong từ m m hóa được mô tả gần đúng bởi A.N. Vislovich [45] Tuy nhiên, trên thực tế, đường cong từ hóa của chất lỏng từ khác với đường cong lý thuyết của Langevin do nhiều yếu tố khác nhau chủ yếu bởi sự đa phân tán của các hạt trong một chất lỏng và tác động qua lại của nhữnng trường từ của từng hạt đối với nhau. Ngoài ra, hình dạng hạt cũng đóng vai trò quan trọng làm biến đổi đường cong từ hóa. Trong một chất lỏng từ thực sự, khi trường ngoài yếu, momen của những hạt kích thước lớn sẽ sắp xếp theo hướng của từ trường ngay từ đầu vì giá trị χ cao. Những hạt nhỏ hơn chỉ đáp ứng khi trường ngoài gia tăng mạnh hơn. Chính vì những yếu tố đó mà đường Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc 10 cong từ trễ của chất lỏng sẽ tăng chậm hơn khi trường ngoài gia tăng so với đường cong lý thuyết. (Hình 1.6) Ngoài giả thuyết về sự đa phân tán ảnh hưởng lên sự thay đổi của đường cong từ hóa so với lý thuyết thì còn có nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình này. Chính vì thế, Vislosvich đã đưa ra bài toán gần đúng đơn giản hơn để mô tả đường cong thực 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 χ = M / H = μ 0 nm 2 / (3kT ) = C1 / T (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 TC 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: χ = Cc / (T − Tc ) (1.14) Bảng 1.2 thể hiện nhiệt độ Curie và độ từ hóa bão hòa của những chất sắt từ khác nhau. Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của những vật liệu từ khác nhau thay đổi trong một khoảng rộng và vì thế, về cơ bản có chế tạo chất lỏng từ với nhiệt độ Curie gần nhiệt độ phòng. Gần điểm Curie, mômen từ của hạt sẽ giảm xuống khi nhiệt độ gia tăng theo tỉ lệ (Tc – T)1/2. Theo phương trình (1.9), độ từ hóa của chất lỏng M và độ từ cảm của nó χ thì tỷ lệ với m2 thì tại T→Tc, và chúng sẽ suy giảm theo tỷ lệ (Tc– T). Trong một khỏang biến thiên nhiệt độ rộng của sự phụ thuộc m theo nhiệt độ (m(T)), mối quan hệ gần đúng sau có thể sử dụng: m = m0 3(TC − T ) / TC (1.15) Trong đó m0 là mômen từ của một hạt ở T=0K. Ta nhận thấy rằng sự phụ thuộc m theo nhiệt độ (m(T)) mạnh nhất tại những nhiệt độ gần điểm Curie. Tuy nhiên, để những vật liệu từ được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất những chất lỏng từ (như là sắt hay Magnetite), nhiệt độ Curie phải cao hơn đáng kể so với 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= μ0mH/(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 Ms= 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 0 tC Ms (kAm-1) ; t=200C Co 1331 1424 Fe 770 1717 Chất sắt từ Ni Gd FeCo Fe3Al Fe3C GdCO2 CdMn2 358 20 970 500 213 180 30 484 – 1910 875 987 517 215 Độ từ hóa trong chất lỏng từ nồng độ cao. Khi nồng độ pha từ tính ϕm ≥ 0.05, những tính chất của chất lỏng từ bị ảnh hưởng bởi tương tác của các hạt. Vì thế đường cong từ hóa của một chất lỏng từ thực sự có thể khác đáng kể ngay cả khi nó được xây dựng dựa trên những hạt đa phân tán. Trong từ trường yếu, sự chênh lệch này liên kết với sự ảnh hưởng của trường hiệu dụng gây ra bởi những hạt lân cận xung quanh một hạt từ nào đó, nhưng hợp nhất trường hiệu dụng Heff=H+λM dẫn đến sự phụ thuộc nhiệt độ của độ từ cảm miêu tả bằng định luật Curie – Weiss: χ=C/( T - Tc ) (1.17) Trong đó Tc=λC, và C=nm2/3k. 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. Tc 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] 2.2.1 Độ nhớt của chất keo sắt từ khi không có từ trường ngoài Khi không có trường ngoài, độ nhớt của chất lỏng từ gây ra do sự hiện diện của những hạt keo đã làm gia tăng ma sát nội tại khi nó đang chuyển động theo dòng [20]. Độ nhớt của chất keo gia tăng khi ma sát của hạt gia tăng. Bên cạnh đó, sự tương tác của thủy động lực học kết hợp với sự tồn tại của tương tác từ của hạt tác động đến chuyển động tương đối của chúng. Vì thế, độ nhớt của chất lỏng từ được xác định dựa trên mức độ của tương tác này. Ngoài ra, một chất lỏng từ có thể bao gồm một lượng những hạt lớn, có nhiều hình dạng chủ yếu khác với hình cầu, vì thế tương tác từ của hạt gia tăng – và đó cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng từ. Nói tóm lại, độ nhớt của một chất lỏng phụ thuộc nhiều và tiền sử của mẫu [46] và tốc độ trượt. Khi khảo sát độ nhớt của một mẫu chất lỏng, ta cần phải quan tâm nhiều đến những yếu tố đặt trưng trong quá trình chế tạo mẫu. Nếu chất lỏng chứa một lượng đáng kể những hạt thô thì đó chính là nguyên nhân làm cho độ nhớt và những tính chất vật lý khác trở nên phức tạp hơn, gây nên sự nhập nhằng. Khi tách những hạt thô này bằng cách ly tâm chất lỏng thì mật độ của chất lỏng và độ từ hóa bão hòa sẽ thay đổi một ít, tuy nhiên, tính chất của độ nhớt sẽ thay đổi một cách đáng kể: sự phụ thuộc độ nhớt lên thời gian lưu trữ của một mẫu sẽ biến mất. Vì chất lỏng từ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau với những nguyên tố có thể chuyển động và vì những chất lỏng cũng chuyển động rất tốt, nên một kiểu chuyển động có thể gây nên một ảnh hưởng lên độ nhớt của một chất lỏng thực. Nếu tương tác hạt – hạt trong chất lỏng là không đáng kể, độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ trượt. Nếu năng lượng của tương tác này vượt quá chuyển động nhiệt kT, thì một số hạt trong chất lỏng sẽ kết hợp với nhau hình thành những cấu trúc có kích thuớc lớn hơn: chuỗi, đám hoặc là sự kết tụ vi giọt. Việc hình thành những cấu trúc lớn hơn được thực hiện nhờ một luợng chất lỏng mang, nồng độ thủy động lực hiệu dụng ϕ h gia tăng. Bên cạnh đó những cấu trúc lớn hơn có thể chiếm toàn bộ thể tích chất lỏng và bị giới hạn bởi biên giới của thể tích chất lỏng. Điều này khởi xướng cho chuyển động tương đối của chất lỏng và những cấu trúc. 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 lượng tự do của hệ.Vì vậy, khi kích thước hạt được thu nhỏ dần thì số lượng các đômen từ cũng giảm theo. Đến một giới hạn nào đó thì không còn thích hợp để tồn tại nhiều vách đômen nữa. Mỗi hạt là một đômen duy nhất, gọi là hạt đơn đômen. Lúc này, sự sắp xếp của các mômen từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các vách đômen, nên thực hiện dễ dàng hơn. Đường kính tới hạn của hạt được cho bởi công thức sau [19] [26] 35(KA) DC = μ 0 M S2 Với: DC là đường kính tới hạn của hạt K là mật độ năng lượng dị hướng từ A là mật độ năng lượng trao đổi μ0 là độ từ thẩm chân không. MS là độ từ hoá bão hoà 1 2 (1.18) (m). (J.m–3). (J.m–3). (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 HC bằng 0. Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (magnetic fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hình 1.8. Đường biểu diễn lực kháng từ HC theo kích thước hạt Hình 1.9. Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ 2.4 Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 2.4.1 Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe3O4) Oxit sắt từ Fe3O4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit [15]. Công thức chung của ferit là MO.Fe2O3, với M có thể là Fe, Ni, Co, Mn hoặc Cu. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc 15 Các ferit thường có cấu trúc spinel thuận hoặc spinel nghịch. Nhưng dù là spinel thuận hay spinel nghịch thì trong một ô đơn vị đều có 8 vị trí tứ diện và 16 vị trí bát diện. Hình 1.10 biểu diễn một cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thuận, những ion hoá trị 3 chiếm các vị trí bát Oxy B-Vị trí bát diện A-Vị trí tứ diện Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp. diện, còn những ion hoá trị 2 chiếm vị trí tứ diện. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel nghịch, những ion hoá trị 2 và 8 ion hoá trị 3 sẽ chiếm vị trí bát diện; những ion hoá trị 3 còn lại sẽ ở vị trí tứ diện. Oxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị (unit cell) lập phương tâm mặt (fcc). Ta có thể hình dung một ô đơn vị được chia thành 8 ô nhỏ (formula unit) như hình 1.10. Đối với oxit sắt từ, các ion Fe3+ chiếm giữ 8 vị trí tứ diện và 8 vị trí bát diện; và các ion Fe2+ chiếm 8 vị trí bát diện còn lại. Oxit sắt từ được xếp vào các vật liệu ferri từ. Dựa vào cấu trúc của 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 Fe3+ chiếm ở vị trí bát diện ( hình 1.11). Do đó, chúng triệt tiêu lẫn nhau. Vậy mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và có độ lớn là 4μB (Bohr magneton). Vì vậy, tinh thể Fe3O4 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 Fe3O4 Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hòa Ms ~92 A.m2.kg-1 và nhiệt độ Curie khoảng 5800C [15]. Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc… 2.4.2 Sự biến đổi và ổn định của magnetite Magnetite dễ bị oxi hoá trong không khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo phương trình: 6 γ-Fe2O3 4 Fe3O4 + O2 Ở nhiệt độ lớn hơn 3000C, magnetite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe2O3). 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. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc