Bạn đang truy cập nguồn tài liệu chất lượng cao do www ...mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/1759A_Chat_long_tu... · Nguyên tắc tạo hạt nanô

Bạn đang truy cập nguồn tài liệu chất lượng cao do www.mientayvn.com phát hành.

Đây là bản xem trước của tài liệu, một số thông tin và hình ảnh đã bị ẩn đi. Bạn chỉ xem được

toàn bộ tài liệu với nội dung đầy đủ và định dạng gốc khi đã thanh toán. Rất có thể thông tin mà

bạn đang tìm bị khuất trong phần nội dung bị ẩn.

………………………………………………………………………………………

Liên hệ với chúng tôi: [email protected] hoặc [email protected]

………………………………………………………………………………………

Thông tin về tài liệu

Số thứ tự tài liệu này là (số thứ tự tài liệu dùng để tra cứu thông tin về giá của nó): 1759A

Định dạng gốc: .doc

………………………………………………………………………………………

Chúng tôi không bán tài liệu này do chúng tôi không phải là tác giả của nó.

Tập tin có cài pass (bạn sẽ nhận được pass sau khi đã thực hiện theo các yêu cầu ở mục 1, 3, 5, 8,

9, 10 trong liên kết sau: http://mientayvn.com/Trao_doi_tai_nguyen.html):

www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/Cong_nghe

_nano_1759/nano_tu_1759/1759A_Chat_long_tu.rar

………………………………………………………………………………………

Các tài liệu được tặng miễn phí kèm theo:

www.mientayvn.com/Tai_lieu_cung_chu_de/1759A.doc

………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên, học viên cao học của bộ môn vật lý ứng dụng, khoa vật lí-vật lí kỹ thuật, đại

học khoa học tự nhiên TPHCM: gửi cho chúng tôi địa chỉ mail lớp, chúng tôi sẽ cung cấp thông

tin để các bạn truy cập miễn phí tài liệu.

………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên khoa vật liệu, đại học khoa học tự nhiên TPHCM: các bạn muốn sử dụng tài

liệu này phải có email giới thiệu của một trong các tác giả có bài đăng trên trang web của chúng

tôi. Các tác giả này phải công tác tại khoa vật liệu. Trong email giới thiệu, xin ghi thật ngắn gọn,

và đầy đủ thông tin, không cần chào hỏi.

http://www.mientayvn.com/

mailto:[email protected]

http://mientayvn.com/Trao_doi_tai_nguyen.html

http://www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/Cong_nghe_nano_1759/nano_tu_1759/1759A_Chat_long_tu.rar

http://www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/Cong_nghe_nano_1759/nano_tu_1759/1759A_Chat_long_tu.rar

http://www.mientayvn.com/Tai_lieu_cung_chu_de/1759A.doc

Chi tiết xin xem tại:

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

SERMINA MÔN VẬT LIỆU QUANG TỪ

KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ

TRONG Y SINH

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN : TS ĐINH SƠN THẠCH

HOC VIÊN : LÊ HÀ PHƢƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH –2012

Môn vật liệu quang từ GV hướng dẫn: Thầy Đinh Sơn Thạch

Học viên : Lê Hà Phương 1

MỞ ĐẦU

Công nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của

con người tại kích thước nano mét, tại đó vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt

và lý thú. Các hạt nano từ tính là các ứng cử viên đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong

khoa học cũng như công nghệ và y, sinh học... ví dụ như dẫn thuốc, đốt nóng thân nhiệt cục

bộ (điều trị ung thư), chọn lọc, phân tách tế bào, tăng độ phân giải của ảnh cộng hưởng từ...

Đối với các hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học, cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính

đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không

có độc tính) . Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp

chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu.

Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không

độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các

vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính.

Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học thường ở dạng chất lỏng từ (CLT), hay còn gọi là

nước từ. Một CLT gồm ba thành phần: hạt nanô từ tính, chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM), và

dung môi. Hạt nanô từ tính là thành phần duy nhất quyết định đến tính chất từ của CLT.

CHHBM có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với

nhau ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài.

Chất lỏng từ tính là một chất lỏng bao gồm các hạt nano từ tính đã được chức năng hóa bề

mặt, đây là vật liệu từ tính dạng lỏng rất mới mẽ, được ứng dụng trong điều kiện phát triển

khoa học kỹ thuật hiện đại. Trong nhiều năm gần đây chất lỏng từ rất được quan tâm nghiên

cứu do chúng chứa các hạt vật liệu từ các kích thước cỡ nanomet, có thể ứng dụng hiệu quả

trong khoa học kĩ thuật, trong lĩnh vực y sinh học và môi trường…

Đề tài này xin trình bày một vài tính chất của chất lỏng từ có chứa các hạt nano ferit, phương

pháp chế tạo cũng như những ứng dụng phổ biến của nó trong thời gian gần đây, đặc biệt là

trong lĩnh vực y sinh học.



MỤC LỤC

I. HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ

1. Hạt nano từ

2. Chất lỏng từ

3. Chế tạo hạt nano từ tính

4. Chế tạo chất lỏng từ sử dụng hạt ferrite Fe3O4

II. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG TỪ

1. Độ ổn định

2. Trạng thái không ổn định trong từ trƣờng vuông góc

3. Các loại chất lỏng từ và phƣơng pháp chế tạo

4. Tính siêu thuận từ

5. Tƣơng tác giữa các hạt – sự hình thành các chuỗi

6. Độ nhớt

III. ỨNG DỤNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ

IV. ỨNG DỤNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ TRONG Y SINH

V. HƢỚNG PHÁT TRIỂN



NỘI DUNG

I. HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ

1. Hạ t nano từ

Các hạt nano từ có kích thước tương ứng kích thước của các phân tử nhỏ ( 1-10nm) hoặc kích

thước của virut ( 10-100nm). Hạt nano từ tính có thể chế tạo theo hai nguyên tắc : vật liệu khối được

nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình thành hạt nano từ các nguyên tử

Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh,

nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc

bay,...) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí)

2. Chấ t lỏng từ

Chất lỏng bình thường được tạo thành từ các phân tử hoặc các ion. Các phần tử tạo nên chất

lỏng từ lại hoàn toàn khác, bên cạnh các phân tử và ion, chất lỏng từ còn có một thành phần, đó là

các hạt chất rắn có kích thước vài chục cho đến vài trăm nm

Chất lỏng từ là một huyền phù gồm các hạt vật liệu từ nhỏ bé (kích thước cỡ nano mét) và chất

lỏng mang các hạt từ này.

Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính là: hạt vật liệu từ kích thước nano (hạt nano từ), chất bao

phủ về mặt (còn gọi là chất hoạt hóa bề mặt, là chất rắn hoặc chất lỏng) và chất lỏng mang (còn gọi

là dung môi).

Hạt nanô từ tính là thành phần duy nhất quyết định đến tính chất từ của chất lỏng từ. Chất hoạt

hóa bề mặt có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau

ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài. Dung môi là chất lỏng mang toàn bộ hệ

3. Chế tạo hạ t nano từ tính

a. Phƣơng pháp nghiền:

Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ dùng cho các ứng dụng

vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các

loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ , vật liệu từ tính ô-xít sắt

Fe3O4, được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane). Chất

hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau.

Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt

tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối

lượng lớn. Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế



tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nanô không cao vì khó có thể

khống chế quá trình hình thành hạt nanô. Chất lỏng từ chế tạo bằng phương pháp này thường được

dùng cho các ứng dụng vật lý

b. Phƣơng pháp hóa học

Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nanô từ cũng được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học

có thể tạo ra các hạt nanô với độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh

học. Nguyên tắc tạo hạt nanô bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới

các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân rã .

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 tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông

qua quá trình khuyếch 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 ô-

xít sắt. Hydroxide sắt bị ô-xi hóa một phần bằng một chất ô-xi hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và

Fe+3 trong dung môi nước. Kích thước hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt được điều khiển bằng độ

pH và ion trong dung dịch.

Vi nhũ tương (microemulsion) 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 chất hoạt hóa bề

mặt trong dầu (các mixen). 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 chất hoạt hóa bề mặt, sự hình thành, phát triển

các hạt nanô bị hạn chế và tạo nên các hạt nanô rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với

độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm. Ví dụ, dodecyl sulfate sắt, Fe(DS)2, được dùng trong phương pháp

vi nhũ tương để tạo hạt nanô từ tính với kích thước có thể được điều khiển bằng nồng độ chất hoạt

hóa bề mặt là AOT và nhiệt độ



Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.

Phương pháp vi nhũ tương cũng là một phương pháp chế tạo hạt nano đã được thế giới ứng dụng từ

lâu do khả năng điều khiển kích thước hạt dễ dàng của nó. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong

hệ vi nhũ tương như sau (hình 4): Phản ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa

trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử chất phản ứng gặp nhau:

Cách thứ nhất: Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa bề mặt ra ngoài và gặp

nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách này là rất nhỏ,không đáng kể.

Cách thứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu có đủ lực tác động thì 2

hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành một hạt lớn hơn(C). Các chất phản ứng trong 2 hạt nhỏ sẽ hòa trộn,

phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt

magnetite Fe3O4). Các hạt magnetite Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và

ngăn cản không cho phát triển thêm về kích thước.

Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ô-xít sắt bao phủ bởi một lớp vàng để

tránh ô-xi hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Ở đây người ta dùng cetyltrimethylammonium

bromide (CTAB) là chất hoạt hóa bề mặt và octane là pha dầu dung dịch phản ứng ở trong pha nước



Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương

Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nanô kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe,...

Sau này nó được mở rộng để tạo các hạt nanô dựa trên. Các hạt nanô được hình thành trực tiếp từ

dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu đa chức). Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc

trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan trong polyol rồi

được khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim loại thành kim loại. Bằng cách

điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có thể thu được các hạt kim loại với kích thước và hình

dáng như mong muốn. Người ta còn thay đổi phương pháp này bằng cách đưa những mầm kết tinh

bên ngoài vào dung dịch. Như vậy quá trình tạo mầm và phát triển hạt là hai quá trình riêng biệt làm

cho hạt đồng nhất hơn. Hạt nanô ô xít sắt với đường kính 100 nm có thể được hình thành bằng cách

trộn tỉ lệ không cân đối hydroxide sắt với dung dịch hữu cơ. Muối FeCl2 và NaOH phản ứng với

ethylene glycol (EG) hoặc polyethylene glycol (PEG) và kết tủa Fe xảy ra ở nhiệt độ từ 80 - 100°C.

Bằng phương pháp này còn có thể tạo các hạt hợp kim của Fe với Ni hoặc Co. Hạt đồng nhất có kích

thước từ khoảng 100 nm thu được bằng cách không cho mầm kết tinh từ bên ngoài. Nếu cho mầm

kết tinh từ bên ngoài là các hạt nanô Pt thì có thể thu được các hạt có kích thước có thể dao động từ

50 – 100 nm.

Phương pháp phân li các tiền chất hữu cơ ở nhiệt độ cao

Phương pháp phân li các tiền chất hữu cơ ở nhiệt độ cao phân li tiền chất chứa sắt trong môi trường

CHHBM ở nhiệt độ cao có thể tạo ra các hạt nanô ô xít sắt đồng nhất, kích thước như mong muốn và

kết tinh tốt. Ví dụ, Alivisatos đã tiêm FeCup3(Cup: N-nitrosophenylhydroxylamine) trong

octylamine vào CHHBM có nhóm amino ở nhiệt độ 250 – 300°C để thu được các hạt nanô tinh thể

maghemite có kích thước từ 4 – 10 nm.[9] Hyeon tạo hạt nano tinh thể maghemite kích thước đồng

nhất 13 nm không cần dùng phương pháp thủy phân mà bằng cách tiêm Fe(CO)5 vào trong dung

dịch có chứa CHHBM và một chất ô xi hóa nhẹ (trimethylamine oxide)[10]. Sun đã chế tạo thành

công hạt nanô magnetite đồng nhất kích thước 3 – 20 nm bằng cách cho phản ứng sắt(III)

acetylacetonate trong phenyl ether với sự có mặt của rượu, oleic acid, và oleylamine ở nhiệt độ

265°C. Phương pháp này có thể tạo hạt nanô kích thước 4 nm khi không có mầm kết tinh nhưng để

đạt kích thước 20 nm thì cần phải có mầm kết tinh.

Phƣơng pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởi sóng siêu âm cũng được

dùng để tạo hạt nanô ô xít sắt. Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản

ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác. Sóng siêu âm là sóng dọc,



là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng. Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm

là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến 16 kHz). Khi sóng siêu âm đi qua

một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử chất lỏng ra

xa nhau. Nếu cường độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng trong chất lỏng.

Điều này xảy ra khi áp suất âm đó lớn hơn sức căng địa phương của chất lỏng. Sức căng cực đại này

lại phụ thuộc vào từng chất lỏng và tạp chất ở trong đó. Thông thường, đây là một quá trình phát

triển mầm; tức là, nó xuất hiện tại các điểm yếu tồn tại sẵn ở trong chất lỏng, như là những bọt khí

hoặc những tiểu bọt khí tức thời có trong chất lỏng sinh ra từ những quá trình tạo lỗ hổng trước đó.

Phần lớn các chất lỏng bị nhiễm bẩn bởi các hạt nhỏ mà lỗ hổng có thể xuất phát từ đó khi có mặt

của áp suất âm. Một khi được hình thành, các bọt khí nhỏ bị chiếu siêu âm sẽ hấp thụ năng lượng từ

sóng siêu âm và phát triển lên. Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc vào cường độ siêu âm. Khi

cường độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát triển rất nhanh. Sự giãn nở của các lỗ hổng đủ

nhanh trong nửa đầu chu kì của một chu kì sóng siêu âm, nên đến nửa sau chu kì thì nó không có đủ

thời gian để co lại nữa. Khi cường độ siêu âm thấp hơn, các lỗ hổng xuất hiện theo một quá trình

chậm hơn gọi là khuyếch tán chỉnh lưu. Dưới các điều kiện này, kích thước của một lỗ hổng sẽ dao

động theo các chu kì giãn nở và co lại. Trong khi dao động như thế lượng khí hoặc hơi khuyếch tán

vào hoặc ra khỏi lỗ hổng phụ thuộc vào diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt sẽ lớn hơn trong quá trình

giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại. Do đó, sự phát triển của lỗ hổng trong quá trình giãn nở sẽ

lớn hơn trong quá trình co lại. Sau nhiều chu kì siêu âm, lỗ hổng sẽ phát triển. Lỗ hổng có thể phát

triển đến một kích thước tới hạn mà tại kích thước đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả năng lượng

của sóng siêu âm. Kích thước này gọi là kích thước cộng hưởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng

âm. Ví dụ, với tần số 20 kHz, kích thước này khoảng 170 mm. Lúc này, lỗ hổng có thể phát triển rất

nhanh trong một chu kì duy nhất của sóng siêu âm. Một khi lỗ hổng đã phát triển quá mức, ngay cả

trong trường hợp cường độ siêu âm thấp hay cao, nó sẽ không thể hấp thụ năng lượng siêu âm một

cách có hiệu quả được nữa. Và khi không có năng lượng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu

được. Chất lỏng ở xung quanh sẽ đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp. Sự suy sụp của lỗ hổng tạo ra một

môi trường đặc biệt cho các phản ứng hoá học - các điểm nóng (hot spot). Điểm nóng này là nguồn

gốc của hoá siêu âm đồng thể; nó có nhiệt độ khoảng 5000°C, áp suất khoảng 1000 at, thời gian sống

nhỏ hơn một ms và tốc độ tăng giảm nhiệt trên 1010 (mười tỉ) K/s. Hóa siêu âm được ứng dụng để

chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp, nano dạng lồng, hạt nano, ống nano. Hạt

nanô ô xít sắt và ô xít sắt pha Co và Ni đã được chế tạo bằng phương pháp này. Tuy nhiên các hạt

nanô cần phải có chế độ xử lí nhiệt mới có thể đạt được từ độ bão hòa cao ở nhiệt độ phòng.



Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất lỏng dưới tác dụng của sóng

siêu âm. Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng không thể hấp thụ năng lượng sóng siêu âm

được nữa nên bị suy sụp rất nhanh tạo thành các điểm nóng.

Hạt nanô từ tính dựa trên ô xít sắt đã được chế tạo bằng hóa siêu âm. Đây là phương pháp rất đơn

giản để tạo hạt nanô từ tính với từ độ bão hòa rất cao. Muối iron (II) acetate được cho vào trong

nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm với công suất khoảng 200 W/2 h trong môi trường bảo vệ.

Sóng siêu âm được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra. Khi tác

dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính ôxi hóa như H2, hydrogen

peroxide (H2O2). Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể là HO2 (superoxide), hydro nguyên

tử, hydroxyl và điện tử. Các chất này sẽ ôxi hóa muối sắt và biến chúng thành magnetite Fe3O4. Sau

khi phản ứng xảy ra ta thu được hạt nanô Fe3O4 với từ độ bão hòa có thể đến 80 emu/g, cao gần bằng

giá trị của Fe3O4 ở dạng khối.

Có ba vùng được hình thành trong quá trình chiếu xạ siêu âm một chất lỏng. Vùng (a) là vùng chất

khí nằm bên trong lỗ hổng. Vùng này có nhiệt độ cao và áp suất lớn làm cho hơi nước bị nhiệt phân

thành các gốc tự do H và OH. Vùng (b) là vùng biên giữa chất khí và chất lỏng. Mặc dù nhiệt độ ở

đây thấp hơn ở vùng (a) nhưng cũng đủ lớn để phản ứng phân hủy nhiệt xảy ra. Người ta đã quan sát

được các gốc hydroxyl tự do ở vùng này. Vùng (c) là vùng chất lỏng. Ở đây nhiệt độ gần bằng nhiệt

độ phòng nên xảy ra quá trình tái hợp H và OH. Trong ba vùng kể trên thì vùng (b) là vùng mà ở đó

phản ứng hóa siêu âm diễn ra. Khi chiếu xạ siêu âm dung dịch chứa muối iron (II) acetate thì xuất

hiện các phản ứng sau:

H2O ))) H· + OH

·

H· + H

· -> H2

OH· + OH

· -> H2O2

https://sites.google.com/a/hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat/Picture5.jpg?attredirects=0



Fe(CH3COO)2 -> Fe2+

+ 2(CH3COO)-

Chất ôxi hóa mạnh hydrogen peroxide sẽ ô xi hóa Fe2+

thành Fe3+

theo phản ứng sau:

2Fe2+

+ H2O2 -> 2Fe3+

+ 2OH-

Các ion Fe2+

và Fe3+

kết hợp với nhau để tạo thành magnetite. Tốc độ hình thành các gốc hydroxyl

được ước lượng là 25 mM/phút dưới khí Ar. Bằng cách điều khiển nhiệt độ mà chúng tôi có thể tạo

các hạt Fe3O4 với các hình dạng khác nhau

Bằng phương pháp hóa siêu âm chúng tôi có thể tạo các hạt que Fe3O4.

4. Chế tạo chấ t lỏng từ sử dụng hạ t ferrite Fe3O4

Vật liệu Fe3O4 được biết đến là một trong ba loại oxyt phổ biến của nguyên tố sắt, nó có cấu

trúc tinh thể spinel đảo và có giá trị momen từ cao. Ở kích thước nhỏ, Fe3O4 thể hiện một số tính

chất ưu việt và khả năng ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực khoa học kỹ thuật và y sinh như:

mực từ để in trên tiền giấy hay các tấm séc, chất làm tăng cường độ tương phản trong chụp ảnh cộng

hưởng từ hạt nhân, chất dẫn thuốc hướng đích trong điều trị ung thư, chẩn đoán bệnh sớm, và nhiệt

trị ung thư…

Hạt oxit sắt được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ion Fe2+

(FeCl2.4H2O) và Fe3+

(

FeCl3.6H2O) bằng OH- tại nhiệt độ phòng trong môi trường không khí ( với tỉ số phân tử là 1:2) bằng

cách thêm dung dịch amôniac NH4OH 25%. Kích thước và hình dạng của hạt tạo ra phụ thuộc vào tỉ

lệ Fe2+

/ Fe3+

, độ pH và lực ion của môi trường. Phản ứng tạo thành kết tủa được thể hiện bằng

phươmg trình:

Fe2+

+ Fe3+

+ 8 OH- Fe3O4 + 4H2O

https://sites.google.com/a/hus.edu.vn/nguyenhoanghai/che-tao-hat-nano-o-xit-sat/Picture6.jpg?attredirects=0



Hỗn hợp hai dung dịch được khuấy đều bằng máy khuấy cơ với tốc độ khuấy cố định trước. Dung

dịch amôniac ở nồng độ thích hợp được nhỏ giọt đồng thời trong quá trình khuấy với tốc độ 1 giọt/s

trong thời gian 30 phút. Hỗn hợp thu được sau phản ứng gồm kết tủa màu đen (Fe3O4) và các chất

hòa tan. Lọc và rửa kết tủa bằng nước bảy lần thu được sản phẩm là chất rắn đặc sệt màu đen. Để thu

được bột nanô, đem kết tủa sấy ở nhiệt độ 40oC trong thời gian 20 giờ. Để thu được chất lỏng từ,

phân tán hạt với chất hoạt động bề mặt trong nước cất bằng máy rung siêu âm, công suất rung là

2,5W trong thời gian 60 phút.

Sắt từ có thể được phủ axit olêit bằng cách thêm axit vào giai đoạn kết tủa trong dung dịch kiềm pH

9,5. Hỗn hợp được sấy khoảng một giờ sau khi được nung nóng đến nhiệt độ 95oC, tạo điều kiện

thuận lợi để biến đổi hydroxit thành ferrite. Sau khi làm lạnh, sản phẩm được axit hóa đến pH =5

bằng việc sử dụng axit nitric. Ion oleate tạo ra sự hấp thụ mạnh đối với các hạt sắt từ, làm lắng kết

tủa. Sự lắng này có thể kèm theo sự xuất hiện của màng mỏng axit oleic nổi ở trên bề mặt chất lỏng.

oleic phải được thêm đủ để tạo thành lớp phủ đơn. Chất lỏng nổi trên mặt có thể được chắt gạn và

tích tụ kị nước của hạt phủ được rửa sạch nhiều lần để loại bỏ muối như nitrat, chloride, sulphat.

Bằng việc thêm chất lỏng mang thích hợp vào aceton ẩm và ấm, aceton và bất kì nước dư có thể



được loại bỏ để lại chất keo phân tán của sắt từ. Nếu việc rửa bằng nước không được tiến hành cẩn

thận thì sẽ tồn tại số lượng nhỏ các hạt muối kích cỡ micro

Sử dụng phương pháp này với chất hoạt hóa bề mặt thích hợp, có thể sản xuất chất keo bền vững

dưới áp suất khí thấp như diesters, polyphenyl ete, dầu silicone, hydrocarbon , perfluorocarbons,

perfluoropolyethers

Nước dựa trên chất lỏng ổn định có thê được tạo ra bằng cách thêm nhiều loại chất hoạt hóa bề mặt

thứ cấp vào hạt phủ oleate

Như với chất lỏng điều chế từ các hạt kim loại, giá trị giới hạn bão hòa từ hóa của chất lỏng ferrite

phụ thuộc vào độ nhớt mong muốn của chất lỏng. Chất lỏng với độ từ hóa lên đến khoảng 1000

Gauss (0,1 T) có thể được điều chế chiếm khoảng 25% khối lượng của ferrite. Hầu hết các

ferrites có magnetizations bão hòa ở 20oC đến một giá trị tối đa là 5000 Gauss

Ảnh TEM của đám kết tủa Fe3O4

Phổ hấp thụ UV của các hạt ferrite từ với lớp hoạt tính bề mặt khác nhau



Đường từ hóa của đám hạt Fe3O4 kết tủa

II. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG TỪ

1. Độ ổn đị nh :

Một trong các đặc trưng của một chất lỏng từ có chất lượng tốt là ổn định. Độ ổn định này bao gồm:

- Độ ổn định đối với lực trọng trường

- Độ ổn định đối với gradient của từ trường : các hạt từ không bị lắng đọng, vón cục ở vùng có

cường độ từ trường mạnh.

- Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng của tương tác lưỡng cực hoặc tương tác

Van der Waals.

Các điều kiện ổn định này trước hết được quyết định bởi kích thước hạt. Hạt phải đủ nhỏ để chuyển

động nhiệt và chuyển động Brao chống lại được sự kết tụ của các hạt dưới tác dụng của từ trường

oH. Kích thước của các hạt có thể xác định bằng cách so sánh các loại năng lượng tham gia vào

hiện tượng đó :

- Năng lượng chuyển động nhiệt : kBT

- Thế năng : Vgl

- Năng lượng tĩnh từ : oMpHV

Trong đó : kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ, là hiệu số khối lượng riêng của hạt từ và

chất lỏng, V là thể tích của hạt, g là gia tốc trọng trường, l là độ cao của chất lỏng và Mp là từ độ

của hạt.

Điều kiện về độ ổn định đối với lực trọng trường cho phép ta viết : kBT/( Vgl) 1

Điều kiện về độ ổn định đối với gradient của từ trường để các hạt từ không bị co cụm về vùng

có cường độ từ trường mạnh, cho ta : kBT/( oMpHV) 1



Điều kiện ổn định này khẳng định là các hạt phải luôn phải luôn được bảo toàn ở kích thước bé,

theo cách nói khác kích thước của các hạt không được tăng lên, phải tránh cả sự kết tụ. Tuy

nhiên, chính các momen lưỡng cực và tương tác giữa chúng luôn có xu hướng làm cho chúng

kết tụ. Thêm vào đó, khi các hạt gần nhau, lực Van der Waals lại trở thành lực hút. Khi đó năng

lượng nhiệt chống lại sự kết tụ do tương tác lưỡng cực phải có cùng độ lớn với năng lượng gây

nên sự kết tụ. Để bù lại, sự kết tụ do tương tác Van der Waals là không thuận nghịch, vì năng

lượng cần thiết để tách hai hạt ra khỏi sự kết tụ là rất lớn. Do vậy cần phải tìm cách để tách các

hạt ra xa. Trong thực tế, điều đó đã được giải quyết bằng cách bao phủ các hạt từ bởi một lớp

polyme ( đó là các chất lỏng từ được bao phủ bề mặt) hoặc tích điện cho các hạt để lực tĩnh điện

đẩy chúng ra xa nhau ( đó là các chất lỏng từ ion)

2. Trạng thái không ổn đị nh trong từ trƣờng vuông góc

Khi chất lỏng thuận từ chịu tác dụng của một từ trường thẳng đứng ( vuông góc với bề mặt

chất lỏng ) đủ mạnh, bề mặt của chất lỏng sẽ bị biến đổi theo dạng hình lượn sóng rất đều đặn. Hiện

tượng này được gọi là sự không ổn định của chất lỏng từ trong từ trường vuông góc. Sự hình thành

của trạng thái không ổn định hay trạng thái bề mặt lượn sóng làm tăng năng lượng bề mặt và thế

năng của chất lỏng, nhưng làm giảm năng lượng tĩnh từ. Bề mặt lượn sóng chỉ được tạo thành khi từ

trường vượt quá cường độ tới hạn, tức là khi sự giảm của năng lượng tĩnh từ vượt qua được sự tăng

của năng lượng bề mặt và thế năng.

3. Các loạ i chấ t lỏng từ và phƣơng pháp chế tạo

a. Chất lỏng từ bao phủ bề mặt

Chất bao phủ bề mặt bao gồm các chuỗi polyme tương tự như phân tử xà phòng, trong đó một đầu

hấp thụ lên ( hay liên kết với ) bề mặt của hạt từ, còn đầu kia có một ái lực tương thích với chất

lỏng mang. Các hạt từ được bao phủ bởi một lớp polyme theo kiểu như vậy có thể tách xa nhau.

Chất lỏng từ loại này thường được chế tạo bằng cách nghiền các bột manhetit ( kích thước cỡ

micromet) cùng với chất bao phủ. Phương pháp này có thể tạo được các hạt nhỏ tới 10nm và được

bao phủ luôn trong quá trình nghiền. Phương pháp này cò thể dùng chất lỏng mang là một số dung

môi khác nhau như nước hoặc các hydrocacbua.

Các chất lỏng từ thường chứa các chất hoạt tính bề mặt quen thuộc như : axit oleic, hydroxit,

tetramethylammonium, axit citric, nhũ tương lexithin… Chất bao phủ bề mặt làm giảm tốc độ lắng

đọng của các hạt từ thông qua hai cách như sau. Trong trường hợp bổ sung thêm thể nhũ tương

lexithin, các hoạt tính bề mặt là các hạt nano hình cầu nên quát trình lắng đọng được làm chậm nhờ

chuyển động Brao. Trong trường hợp sử dụng axit oleic và các chất hoạt tính bề mặt kiểu mixen,

đường kính hiệu dụng của mỗi hạt sắt từ tăng lên do được liên kết thêm các phân tử mixen. Do đó



làm tăng đường kính của hạt và làm cho trạng thái lơ lửng của các hạt trong chất lỏng tồn tại lâu

hơn.

Các chất hoạt tính bề mặt có tác dụng chống sự lắng đọng, nhưng lại làm xấu tính chất từ của chất

lỏng, đặc biệt là làm giảm từ độ bão hòa của chất lỏng. Trong bất kì trường hợp nào, dù sử dụng

chất hoạt tính bề mặt là các hạt nano hoặc các phân tử mixen, thì các chất bao phủ bề mặt (hoặc các

hạt lạ) thêm vào đều làm giảm độ nhớt của chất lỏng từ.

b. Chất lỏng từ ion

Trong các chất lỏng từ ion các hạt từ mang một lượng điện tích cùng loại. Nhờ vậy, các hạt có thể

tách xa nhau. Trong thực tế, lực đẩy đó được che chắn một phần bởi các ion tích điện trái dấu có mặt

trong dung dịch để trung hòa cho chất lỏng. Tuy nhiên, các hạt từ luôn đẩy nhau khi lại gần nhau.

Chất lỏng từ này có thể chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa các muối sắt ban đầu ( thường là các

muối clorua sắt (II, III)). Trong các trường hợp đó, nồng độ của các muối ban đầu sẽ xác định kích

thước của hạt. Phương pháp chế tạo này rất đơn giản, nhanh và rẻ tiền.

4. Tính siêu thuận từ :

Các hạt nano từ trong chất lỏng từ là các đơn đomen, kích thước vào khoảng 10nm của các hạt

nano nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đomen nên không đủ không gian để các vách đomen có thể

hình thành trong hạt. ngay cả trong trường hợp các vật liệu có dị hướng vuông góc rất lớn, có thể

thiết lập các vách đomen có độ dày cỡ vài nano met thì việc hình thành các đomen như vậy sẽ tốn

năng lượng rất lớn. Do vậy, các hạt từ đó thường là các hạt đơn đomen và có thể xem như là các nam

châm nhỏ lơ lửng ở trong chất lỏng mang.

Do chuyển động nhiệt, các hạt sẽ có chuyển động Brao theo tất cả mọi hướng và làm cho

chúng trở nên bất trật tự không ngừng. Định hướng của các nam châm nhỏ này thăng giáng khắp

mọi phương. Do đó khi không có từ trường ngoài từ độ trung bình của hệ bằng không. Khi đó, chất

lỏng từ mang đặc trưng thuận từ. Thực chất, trạng thái này được gọi là trạng thái siêu thuận từ, trong

đó mỗi hạt mang một siêu momen từ ( lớn hơn nhiều lần momen từ của nguyên tử). Dưới tác dụng

của từ trường ngoài, các momen vẫn còn thăng giáng, nhưng từ độ trung bình theo hướng từ trường

ngoài sẽ khác không. Chất lỏng từ được từ hóa và có thể đạt được trạng thái bão hòa trong từ trường

đủ lớn. Giả thiết các hạt không tương tác với nhau, có thể mô tả sự biến đổi của từ độ của chất lỏng

theo nhiệt độ và từ trường bằng định luật Langevin



Đường từ hóa của chất lỏng tử cho thấy tính siêu thuận từ điển hình

Trong thực tế, nếu các hạt có từ độ Mp, momen từ của hạt có thể tích V được viết : m = MpV

Khi momen từ lệch khỏi phương từ trường một góc lệch , các hạt sẽ chịu tác dụng một

momen = omHsin và năng lượng từ của hạt trong từ trường là :

EH = - omHcos

Khi từ trường bằng không, sự định hướng của các hạt phân bố một cách đồng nhất và xác suất

tìm thấy một hạt lệch một góc so với hướng xác định bằng : P( ) = (1/2) sin

Khi từ trường khác không, xác suất tìm thấy một hạt lệch một góc so với một phương từ

trường còn tỉ lệ với phân bố Boltzman ( cho bởi hệ số exp(-EH/kBT) ). Khi đó, chỉ có thành phần

momen từ trung bình theo hướng từ trường sẽ khác không và có giá trị bằng:

<m cos > =

Đặt x = omH/kBT và thực hiện tích phân, ta nhận được :

<m cos > = m (coth x – 1/x) Đó là hàm Langevin

Từ độ của chất lỏng từ bằng momen trung bình trên một đơn vị thể tích :

Mf = < m cos > /V = Mp (coth x – 1/x)

Với x = omH/kBT = x = o MpVH/kBT

Mp là độ từ bão hòa của vật liệu chế tạo hạt nano từ, V là thể tích hạt và là tỉ phần thể tích

của hạt trong chất lỏng từ

Định hướng của các momen từ thăng giáng do chuyển động Brao của các hạt. Trong thực tế,

còn có nguyên nhân khác dẫn đến sự thăng giáng của định hướng ấy. Đó là sự quay của momen

trong từng hạt. Trong trường hợp hạt có dị hướng đơn trục, momen có thể thăng giáng giữa hai



hướng ngược nhau của phương từ hóa dễ bằng cách vượt qua hàng rào năng lượng do dị hướng từ

gây ra. Đây là hiện tượng thăng giáng nhiệt. Cơ chế thăng giáng này gọi là thăng giáng Neel, có thể

tồn tại đồng thời với thăng giáng Brao về định hướng của các hạt. Hằng số thời gian của hai cơ chế

này phụ thuộc vào kích thước hạt, hằng số dị hướng, độ nhớt của chất lỏng mang và nhiệt độ. Thời

gian đặc trưng cho quá trình hồi phục của từ độ khi tắt đột ngột từ trường được viết như sau:

- Đối với cơ chế Brao : B = 3V /kBT

Trong đó V là thể tích của hạt, là độ nhớt của chất lỏng mang.

- Đối với cơ chế Neel: N =

Trong đó K là hằng số dị hướng từ, là tần số thử của các bước nhảy qua hàng rào năng lượng

(thường vào cỡ 109Hz) tương ứng với thời gian hồi phục thử o = . KV tương ứng với độ

cao của hàng rào năng lượng cần vượt qua để quay từ độ của hạt.

Tần số của các bước nhảy qua hàng rào năng lượng là :

Trường hợp N << B tương ứng với siêu thuận từ nội tại, còn N >> B tương ứng với siêu thuận

từ ngoại lai. Thông thường N vào cỡ 10-9

giây còn B vào cỡ 10-7

giây. Bằng cách thay đổi các

tham số, ta có thể thay đổi ảnh hưởng của các cơ chế. Hơn thế nữa, khi giảm nhiệt độ ta có thể

lần lượt vượt qua các nhiệt độ đóng băng của hai cơ chế. Nói chung, ở nhiệt độ thấp hệ bị đóng

băng về mặt từ tính và mang thuộc tính của thủy tinh ( theo nghĩa thủy tinh spin) với tất cả các

hiện tượng hồi phục liên quan.

5. Tƣơng tác giữa các hạ t – sự hình thành các chuỗi

Các đơn đomen từ của một chất lỏng từ tương tác với nhau thông qua tương tác lưỡng cực

(tương tác dipole). Trong trường hợp này, tương tác trao đổi (vốn chỉ tồn tại trên một khoảng cách

rất nhỏ) giữa các hạt không tồn tại. Do đó, ở đây tương tác lưỡng cực không thể bỏ qua nếu chất

lỏng từ không quá loãng.

Năng lượng tương tác diple giữa hai momen từ m1 và m2 được viết :

Edip =

Trong đó r là vecto giữa hai momen từ

Năng lượng tương tác dipole giữa hai momen từ m1 và m2 nhận giá trị nhỏ nhất khi chúng tiếp

xúc nhau và cùng hướng song song với vecto r. Trong trường hợp này, đối với các hình cầu có

thể tích V = d3/6 và momen từ m = MpV, ta có :

Edip = - oMp2V/12



So sánh năng lượng nhiệt và năng lượng tương tác lưỡng cực cho một hạt, 24kBT/ oMp2V , cho

phép ta xác định kích thước của hạt theo giá trị từ độ đã biết sao cho chuyển động nhiệt có thể

chống lại sự kết tụ do tương tác lưỡng cực. Kích thước tới hạn của các hạt xác định bằng cách

này đảm bảo các hạt có thể đẩy nhau ra xa một khoảng cách ngắn khi không có tác dụng của từ

trường. Thăng giáng nhiệt đảm bảo cho các momen thăng giáng trong từng hạt cũng như thăng

giáng định hướng của hạt. Trong mọi trường hợp này, các hạt thường có khả năng kết tụ thành

các chuỗi ngắn. Tuy nhiên, do các thăng giáng đã nêu ở trên định hướng của các chuỗi hoàn

toàn hỗn độn khi không có từ trường. Khi có từ trường đặt vào, các momen từ có xu hướng

quay theo từ trường, hiệu ứng của thăng giáng nhiệt sẽ giảm và các hạt kết tụ nối tiếp nhau tạo

thành một chuỗi dài ( tùy thuộc cường độ từ trường đặt vào) và hướng dọc theo phương từ

trường. Sự kết tụ này có tính thuận nghịch, tức là các chuỗi sẽ bị phá bỏ ( hoặc ngắn lại và định

hướng hỗn độn) khi tắt từ trường ngoài. Sự tạo thành chuỗi hình gậy như vậy còn làm cho chất

lỏng từ có dị hướng về mặt quang học.

Trong trường hợp các hạt từ không tương tác với nhau, từ độ của chất lỏng từ được mô tả bằng

hàm Langevin và hệ số từ hóa ban đầu tỉ lệ với 1/T. Nếu tính thêm ảnh hưởng của tương tác

lưỡng cực, từ trường tác dụng lên các momen từ sẽ được bổ sung thêm một số hạng hiệu dụng

từ tương tác đó. Phép gần đúng này được áp dụng cho trường hợp chất lỏng bị đông lại tương

đương với trường hợp tương tác lưỡng cực giữa các hạt thực hiện thông qua một nền môi

trường rắn. Trường hợp này dẫn đến định luật Curie-Weiss, tức là hệ số từ hóa ban đầu tỉ lệ với

1/(T-To) , trong đó To là nhiệt độ trật tự

6. Độ nhớt

Các chất lỏng từ vẫn thể hiện được tính chất của một chất lỏng ngay cả khi có tác dụng của từ

trường ngoài. Tuy nhiên, tính chất lưu biến học của các chất lỏng từ phải bị thay đổi dưới tác dụng

của từ trường ngoài. Trong trường hợp này độ nhớt là một thông số thường được quan tâm.

Độ nhớt của một chất lỏng từ được quyết định bởi độ nhớt của chất lỏng mang và do đó khả

năng chọn các dung môi khác nhau ( như nước, dầu hỏa, dầu ăn,…) sẽ cho phép thay đổi các độ nhớt

ban đầu của chúng, ngay cả khi không có từ trường tác dụng.

Khi từ trường đặt vào, các hạt có xu hướng định hướng theo từ trường và gradient của vận tốc

trong phần chất lỏng ở xung quanh các hạt và do đó cả độ nhớt sẽ tăng lên. Khi các xoáy của chất

lỏng song song với từ trường, các hạt có thể quay một cách tự do và từ trường không hề có ảnh

hưởng lên độ nhớt. Ngược lại, nếu từ trường và các xoáy vuông góc với nhau, độ nhớt sẽ lớn hơn rất

nhiều.



7. Tính chấ t lƣỡng chiế t quang

Các hạt từ tính trong chất lỏng từ có tính lưỡng chiết tuyến tính, tức là chúng biểu hiện chiết suất

khác nhau khi ánh sáng được phân cực song song hay phân cực vuông góc với trục từ hóa dễ. Nói

một cách khác, tốc độ lan truyền của ánh sáng theo phương song song hay vuông góc với trục từ hóa

dễ không giống nhau. Ngoài ra, độ hấp thụ cũng khác nhau khi ánh sáng phân cực song song hay

phân cực vuông góc với trục từ hóa dễ. Đó là tính lưỡng sắc. Tuy nhiên, hiệu ứng này rất yếu, cho

nên chỉ có tính lưỡng chiết của các hạt nano từ thường được ứng dụng.

Khi từ trường bằng không, định hướng của các hạt phân bố một cách đồng nhất trong lòng chất lỏng

từ, do đó độ lưỡng chiết trung bình bằng không. Khi từ trường được đặt vào, một tỉ lệ nhất định các

hạt sẽ định hướng theo từ trường ngoài. Khi đó, độ lưỡng chiết trung bình sẽ khác không

Trong trường hợp tính lưỡng chiết bằng không, một tia sáng phân cực tuyến tính sẽ được bảo toàn

sau khi truyền qua vật liệu. Bằng cách sử dụng một kính phân tích đặt lệch góc với kính phân cực

III. Ứng dụng của chất lỏng từ

Cho đến nay, các nhà khoa học phát hiện ra rất nhiều lĩnh vực mới có thể ứng dụng chất lỏng từ tính.

ứng dụng thực tế nhất là thiết bị hấp thu trấn động trong xe hơi. Thiết bị điện tử có thể làm cho dịch

thể từ tính sinh ra một quá trình rắn lên gấp ngàn lần và lỏng trở lại trong một giây, từ đó có thể

giảm được trấn động đối với thân xe rất hữu hiệu, người ngồi trên xe sẽ cảm thấy bình ổn thoải mái

hơn rất nhiều.

Các nhà khoa học còn lợi dụng chất lỏng từ tính để giải quyết vấn đề rò gỉ trên vũ trụ. Gần đây,

nhiều nhà khoa học đã lợi dụng kỹ thuật chống giò gỉ không gian này để giải quyết những vấn đề giò

rỉ khí, nước, dầu trong sản xuất công nghiệp..., chống giò rỉ trong các thiết bị cao cấp như kính hiển

vi điện tử, máy ly tâm cao tốc, lò luyện chân không… không những có thể đảm bảo chúng làm việc

trong trạng thái chân không hoàn toàn mà còn có thể có được những tính năng như chống mục rỉ,

chống bức xạ.

Chất lỏng từ tính còn có tác dụng bôi trơn, tán nhiệt trong sản xuất các thiết bị dệt may, điện tử. Lợi

dụng đặc tính tỷ trọng của chất lỏng từ tính thay đổi khi từ trường thay đổi, các nhà khoa học đã thực

hiện chia tách các hạt kim loại mầu. Dịch thể từ tính là một loại dịch thể đặc thù có thể lưu động

trong "huyết quản" của người máy, lợi dụng các thiết bị điện tử cao cấp, người ta phát các mệnh lệnh

mạch xung, chất lỏng từ tính sẽ nghe theo chỉ huy mà biến thành rắn chắc hoặc khôi phục trạng thái

dịch thể, như vậy có thể làm cho các cánh tay và chân có thể linh hoạt di chuyển như người.



Một lĩnh vực ứng dụng được nhiều tính ưu việt của chất lỏng từ tính hơn cả là y học. Chất lỏng từ

tính có những công năng trị bệnh độc đáo.

IV. Ứng dụng của chất lỏng từ trong y sinh

Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân

tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các

tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản

trong ảnh cộng hưởng từ…

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 nanô 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

nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô-xít 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 nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn

dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các

hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu

quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự

các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư

phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của

các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét. 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. Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau:

Fd = 6πηRΔν

Trong đó : η là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào ( nước ), R là bán kính của hạt từ tính,

Δν = νm – νw là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước.



Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để

các lên 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.

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 lâu, 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; và (ii) giảm lượng

thuốc điều trị.

Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác

dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông

qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất

mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại

vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc

các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay

đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân

tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền

thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô.

Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy

lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các

thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết

thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận

từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch

máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ

trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với

động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những

vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành

mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ

trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng.



Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite α-Fe2O3) bao phủ xung

quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica. Chất

bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức

carboxyl, biotin,... 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 băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô 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.

3. Tăng thân nhiệ t 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 nanô từ tính Nguyên tắc hoạt động là

các hạt nanô 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

hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 °C 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. Thực nghiệm

và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp

thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2

MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nanô cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt

nanô thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí

nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Vì vậy, ở đây chúng tôi chỉ giải thích cơ chế vật lý cho

hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng

dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay

mô men từ của hạt. Hai quá trình quay này được đặc trưng bới hai thông số là thời gian hồi phục

Brown ( B τ ) và thời gian hồi phục Néel ( N τ ). Lượng nhiệt thoát ra được cho bởi phương trình

sau:

P = μ0πfχ ''H2 ,

trong đó μo là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chiều, χ '' là thành phần lệch pha

của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cường độ từ trường. Nếu chuyển động của hạt nanô từ tính



lệch pha so với từ trường thì một phần năng lượng từ chuyển thành nội năng của hệ. Một chất lỏng

từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ

trường cỡ 0,01 T

4. Tăng độ tƣơng phản cho ảnh cộng hƣởng từ

Mặc dù mômen từ của một prôtôn rất nhỏ (1,5×10-3 μB ) nhưng trong cơ thể động vật có một lượng

rất lớn prôtôn (hạt nhân nguyên tử hiđrô của phân tử nước, 6,6×1019

) nên có thể tạo ra một hiệu ứng

có thể đo được. Nếu tác dụng một từ trường cố định có cường độ Bo = 1 T cùng với một từ trường

xoay chiều vuông góc với từ trường cố định và có tần số bằng tần số tuế sai Larmor ωo = γBo của

prôtôn thì sự hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy ra. Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ hồi chuyển γ =

2,67×108 Rad.s

-1.T

-1. Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là

42,57 MHz. Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, prôtôn sẽ tuế sai xung quanh hướng của từ

trường. Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếu hơn nhiều so

với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng tần số tuế sai nên mô mentừ của prôtôn sẽ

hướng theo phương của từ trường xoay chiều, tức là vuông góc với từ trường cố định. Khi từ trường

xoay chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ trở lại phương của từ trường cố định. Quá trình hồi phục

phụ thuộc vào hai thông số, đó là, thời gian hồi phục dọc T1 và thời gian hồi phục ngang với phương

từ trường cố định T2 cho bởi công thức:

t là thời gian và là hằng số pha. T1 đặc trưng cho sự mất mát nhiệt lượng ra môi trường xung

quanh, T2 đặc trưng cho sự lệch pha của prôtôn với từ trường xoay chiều. Tuy nhiên sự lệch pha có

thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2* :

ΔBo là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ

trường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ. Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi có mặt của hạt

nanô từ tính. Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ ô-xít sắt hoặc hợp chất chứa Gd thường được sử

dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ. Sự có mặt của chúng làm nhiễu

loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị T2* rất nhiều. Giá trị của T1 cũng thay đổi nhưng

ở mức độ yếu hơn. Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô

mạnh hay yếu. Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30 nm được bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào

gan và tì trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan là



khác nhau, dẫn đến sự nhiễuvloạn từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản

trong ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác.

V. HƢỚNG PHÁT TRIỂN

Ở Việt Nam, việc chế tạo các hạt nanô từ đã được thực hiện một vài năm trước đây bằng phương

pháp hóa, phương pháp phún xạ,... Có điều đặc biệt là các nghiên cứu chế tạo hạt nanô từ đều tập

trung định hướng vào các ứng dụng trong y-sinh học. Ngoài các ứng dụng để tách tế bào, dẫn thuốc,

nung nóng cục bộ đã nêu ở trên, ta còn quan tâm đến việc chế tạo các hạt nanô từ mang các chất phát

quang. Khi đi vào cơ thể, các hạt mang loại này sẽ khu trú tập trung tại các vùng bệnh. Kết hợp với

kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang, dựa vào cường độ phản xạ ra bên ngoài chúng ta có thể

đoán nhận được vị trí của các mầm bệnh và có các biện pháp điều trị kịp thời. Đề tài đang được thực

hiện trên cơ sở gợi ý của một số công ty khoa học. Để giải quyết bài toán này, ngoài việc nghiên cứu

quá trình sinh hóa trong cơ thể, các phương pháp tăng hiệu quả dẫn truyền hạt nanô, còn phải tìm ra

các vật liệu phát quang tốt có khả năng kết hợp với các hạt nanô từ.



Tài liệu tham khảo:

- “Vật liệu từ cấu trúc nanô và điện tử học spin “ Nguyễn Hữu Đức

- Stuart W. Charles, The preparation of Magnetic Fluids, in Ferrofluids-

Magnetically

Controllable Fluids and Their Applications, edited by S.Odenbach, Springer (2002).

- “Chế tạo và ứng dụng hạt nanô từ tính trong y sinh học “ Nguyễn Hữu Đức,

Nguyễn Hoàng Hải , và Trần Mậu Danh

- Magnetic Fluids: Fabrication, Magnetic Properties, and Organization of

Nanocrystals** By Marie-Paule Pileni

Documents

Bạn đang truy cập nguồn tài liệu chất lượng cao do www ...mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/1759A_Chat_long_tu... · Nguyên tắc tạo hạt nanô