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 -