luận văn tổng hợp các hạt nano từ có các lớp phủ polyme tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học

TRƯỜNG ………………….
KHOA……………………….





Báo cáo tốt nghiệp

Đề tài:



TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO TỪ CÓ CÁC LỚP PHỦ POLYME
TƯƠNG THÍCH SINH HỌC ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC




-1-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
MỞ ĐẦU

Khoa học và công nghệ vật liệu nanô với những đặc tính kì lạ đã và đang thâm
nhập vào toàn bộ lĩnh vực đời sống và kinh tế của thế giới. Với kích thước nano các
loại vật liệu này có thể can thiệp đến từng phân tử -nguyên tử, điều này đặc biệt quan
trọng trong ứng dụng y-sinh học.
Theo định nghĩa thì vật liệu nanô là vật liệu có cấu trúc khoảng từ 1nm đến dưới

100nm. Ở kích thước đó, nhiều tính chất về sinh học, hoá học và vật lý được tăng
cường, thay đổi hoặc khác hoàn toàn so với vật liệu khối tương ứng. Nhờ vậy mà
chúng có những tính chất kỳ diệu mà ở vật liệu khối không có được. Ví dụ như vật liệu
sắt từ được hình thành từ những đômen, trong lòng một đômen, 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 đômen khác. Giữa hai đômen có một vùng chuyển tiếp
được gọi là vách đômen. Độ dày của vách đômen 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 đômen thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì
ảnh hưởng của các nguyên tử ở đômen này tác động lên nguyên tử ở đômen khác. Do
đó vật liệu nano từ tính ngày nay 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 và
bệnh nan y ở người.
Như chúng ta đã biết thì đối với các bệnh ung thư hay nan y, việc chẩn đoán chính
xác bệnh có tính chất quyết định đến sự sống còn của bệnh nhân và vì vậy con người
không ngừng cải thiện các phương pháp chẩn đoán bệnh. Hiện nay thực trạng tỷ lệ
người dân mắc các bệnh ung thư trong nước ngày càng gia tăng. Công bố mới nhất của
hội ung thư Tp HCM con số này tăng với khoảng vài triệu bệnh nhân mỗi năm. Theo
các nhà nghiên cứu, sự gia tăng này liên quan đến chế độ ăn uống, sự thay đổi của khí
hậu, môi trường sống.
Như vậy bệnh ung thư đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm
trọng cho sức khỏe người bệnh và có tỉ lệ tử vong rất cao khi những khối u ác tính
thường tiến triển chậm và biểu hiện của bệnh thường diễn ra âm thầm hàng năm trời
trước khi được phát hiện bằng những chẩn đoán lâm sàng. Hầu hết các loại bệnh
ung
thư đều có khả năng được chữa lành với xác xuất lớn nếu như bệnh được phát hiện
sớm. Nếu có các triệu chứng của bệnh rồi mới đi tìm bệnh thì có thể bướu đã lớn và di
căn sang chỗ khác, và việc chữa trị bằng thuốc men hay giải phẫu sẽ không dứt hẳn
bệnh. Do đó tất cả cố gắng của y học là làm thế nào chẩn đoán bệnh càng sớm thì khả
năng trị dứt hẳn bệnh càng cao.

-2-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Trong y học ngày nay, những thiết bị kỹ thuật cao đã được sử dụng phổ biến nhằm
hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh và đã mang lại những kết quả nhanh
chóng và chính xác. Trong đó, kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic
Resonance Imaging) được xem là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất vì nó có
khả năng phát hiện những mầm bệnh tiềm ẩn trong cơ thể trên cả vùng mô mềm lẫn
mô xương cứng.
Tuy phương pháp chẩn đoán bằng ảnh cộng hưởng từ MRI rất tiên tiến nhưng hiệu
suất chẩn đoán vẫn chưa được cao như mong muốn. Vì vậy các nhà chuyên môn đưa
ra giải pháp là cần phải tăng cường tính tương phản cho ảnh MRI bằng sự hỗ trợ của
các tác nhân tương phản và như thế MRI mới có thể hữu dụng để phát hiện và dò tìm
các u mô ác tính.
Trên thế giới trong các cơ sở chuẩn đoán y khoa bằng hình ảnh MRI, người ta
thường sử dụng chất tương phản thuận từ là những vật liệu nền Gd như: Gd-DTPA
(Magnevist), Gd - DOTA (Dotarem), Gd - DTPA - BMA (Ommiscan), Gd - DOBA
(Prohance), Gd - BOPTA (Multihance) Còn ở nước ta, Gd - DPTA (Magnevist) đang
được sử dụng. Những vật liệu này (Magnevist, Eovist) đều có khả năng tạo tương phản
tương đối và không gây ảnh hưởng cho bệnh nhân. Tuy nhiên, khả năng tăng cường độ
tương phản của những vật liệu này vẫn còn tương đối thấp hơn nhiều so với vật liệu
siêu thuận từ. Đối với nhiều bệnh lý, nếu sử dụng chất tương phản siêu thuận từ thì
khả năng nghiên cứu giải phẫu và điều trị sẽ đạt mức độ thành công cao hơn. Những
hạt siêu thuận từ kích thước lớn khoảng 10-25nm với lớp phủ polymer đã được sản
xuất và đưa vào sử dụng trên thế giới như: AMI – 25 (lớp phủ ferumoxid), SHU –

555A (lớp phủ ferucarbontran), ENDO – REM®, RESOVIST® (lớp phủ Dextran),
SPIO Feridex®,…Nhưng giá nhập khẩu của các chất tăng cường tương phản cho ảnh
chụp cộng hưởng từ này khá đắt (200 USD cho một liều dùng).
Hiện tại, những chất tăng cường tương phản đang được sử dụng tại Việt Nam đều là
chất tương phản thuận từ và được mua từ nước ngoài với một mức giá tương đối cao,
vì thế rất khó cho bệnh nhân lao động nghèo có thể sử dụng những kỹ thuật hiện đại để
chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo.
Từ những đòi hỏi cấp thiết như vậy chúng tôi dự định nghiên cứu và tổng hợp các
tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh MRI có kích thước nano và tính tương
thích sinh học dựa trên các hạt nano ôxít sắt Fe
3
O
4
siêu thuận từ. Nghiên cứu tổng hợp
các tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ có kích thước đủ nhỏ
để có thể đi sâu vào các tế bào mà không có độc tính, không làm ảnh hưởng đến chức
năng của các cơ quan có ý nghĩa thực tiễn rất cao và là một cách tiếp cận rất tiên tiến.
Từ đó chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu để đưa ra qui trình tổng hợp hoàn chỉnh có tính
khả thi cao và phù hợp với hoàn cảnh ở Việt nam.


-3-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Như vậy nghiên cứu của chúng tôi mang tên “Tổng hợp các hạt Nanô từ có các
lớp phủ Polymer tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học” là một
nghiên cứu có khả năng ứng dụng hoàn toàn mới tại Việt Nam. Vật liệu chế tạo là
những tác nhân tăng cường tính tương phản dựa trên những hạt từ nanô Fe
3

O
4
siêu
thuận từ được phủ bởi lớp polymer tương hợp sinh học (Dextran) có khả năng ứng
dụng rất lớn trong lĩnh vực y sinh do bởi tính không độc tố, có khả năng tự đào thải và
đặc biệt là nó có một độ từ cảm khá lớn.
Chất lỏng từ có tính tương hợp sinh học và kích cỡ nano có tính khả thi cao nhất để
dùng làm các tác nhân tăng cường tính tương phản trong MRI. Đề tài là một giải pháp
hữu hiệu trong việc nâng cao hiệu quả chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo với giá thành
hợp lý, rất phù hợp với điều kiện trong nước hiện nay.

Mục đích của đề tài là :
1. Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng ,tính chất ), công nghệ tổng
hợp các hạt nanô từ và các ứng dụng của chúng trong y sinh học.
2. Nghiên cứu về cộng hưởng từ hạt nhân (nguyên lý , hoạt động ) và các tác
nhân tương phản siêu thuận từ cho ảnh cộng hưởng từ.
3. Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe
3
O
4
có kích thước nano với độ tinh khiết cao.
4. Tổng hợp chất lỏng từ có tính tương thích sinh học dựa trên các hạt nano
Fe
3
O
4
siêu thuận từ được phủ polymer tương hợp sinh học để làm các tác nhân tăng
cường tính tương phản trong MRI.
5. Nghiên cứu các đặc tính từ, đặc tính cơ lý và tính tương hợp sinh học của
các tác nhân trên.

6. Nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất của các tác nhân tương phản từ đó
đưa ra qui trình chế tạo hoàn chỉnh. Tiến tới thay thế các sản phẩm ngoại nhập bằng
sản phẩm trong nước được chế tạo phù hợp với hoàn cảnh Việt nam.

Nội dung của đề tài này gồm có các phần chính:

♣ Tổng quan về các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ Fe
3
O
4
và chất lỏng từ.

♣ Thực nghiệm tổng hợp các hạt nanô từ Fe
3
O
4
và tác nhân tương phản.

♣ Kết quả và biện luận.

♣ Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.





-4-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ TỪ HỌC, VẬT LIỆU TỪ VÀ CÁC HẠT
NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ Fe
O
3 4

1.1.CƠ SỞ TỪ TÍNH TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ

Nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu là do chuyển động quĩ đạo và
chuyển động spin của các điện tử. Tương ứng với hai kiểu chuyển động này sẽ có hai
loại mômen từ tương ứng là mômen từ quĩ đạo và mômen từ spin.
1.1.1. Mômen từ quĩ đạo của điện tử [6]
Chuyển động của điện tử trên quĩ đạo tròn bán kính r với vận tốc dài v và vận tốc
góc ω xung quanh hạt nhân (Hình 1.1) có mômen cơ (mômen động lượng):
2
u
L
l
= m
e
ω r
z
= m
e
vr u
z
(1.1)
trong đó m
e
là khối lượng của điện tử

Chuyển động quĩ đạo của điện tử có thể xem như một dòng điện chạy trong vòng
dây không có điện trở. Dòng điện này sinh ra một từ trường quĩ đạo:
2
2
ewr
π
2
w
2
m
l
= -IS u
z
= -e ( ) u) (π r
z
= - u
z
(1.2)
Nhận thấy rằng mômen từ quĩ đạo và mômen cơ có hướng ngược nhau và liên hệ
với nhau bằng hệ thức
l
l
L
m
e
m
e
2

= γ

= -
1
(1.3)
e
m
e
2
thì γ
trong đó γ
1
là hệ số từ hồi chuyển quĩ đạo (khi sử dụng đơn vị - = gl = 1)
1

L
s
L
l
Điện tử
Hạt nhân


Hình 1.1 : Quĩ đạo chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân

-5-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Theo cơ học lượng tử, giá trị của L
1
có thể được biểu diễn qua số lượng tử l như sau
π
2
h
L
1
= l
Do đó, ta có thể viết :
e
m
e
2
π
2
h
e
m
eh
π
4
l = - l = - l μ


m

l
= -
B
(1.4)
với μ
gọi là manhêton Borh:
B
e
m
eh
π
4
μ
B
= = 0,927 x 10
-23
[Am
2
] hay [J/T]
Manhêtôn Borh thường được sử dụng như là một đơn vị đo từ độ của các nguyên tử

1.1.2. Mômen từ spin của điện tử [6]
Điện tử không chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân mà còn tự quay xung quanh
trục của nó. Chuyển động quay này liên quan đến một mômen spin nội tại. Có thể
tưởng tượng rằng, một điện tử như một hình cầu có điện tích phân phối trên toàn bề
mặt. Sự quay của các điện tích này sinh ra các dòng điện và do đó sinh ra mômen từ
hướng dọc theo trục quay.
Tương tự như trong trường hợp của chuyển động quĩ đạo có thể biểu diễn được mối
liên hệ giữa các mômen cơ spin (mômen xung lượng spin) L
và mômen từ spin m

s s
.
Tuy nhiên, trong trường hợp này, hệ số từ hồi chuyển spin γ
có giá trị lớn gấp đôi γ
s 1
.
Do đó:
S
S
L
m
e
m
e
= γ

= -
S
(1.5)
π
2
h
Thay L
S
= s , ta có:
e
m
eh
π
4

s = - 2μ s (1.6)
m
s
= -2
B
ở đây ta cũng thấy m
s
có hướng ngược với L
S
. Ngoài ra, vì s chỉ nhận giá trị ± ½ nên
mômen từ spin có giá trị bằng 1 μ
B
Đối với nguyên tử có 1 điện tử, chỉ có mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo tương
tác nhau tạo ra liên kết spin - quỹ đạo. Đối với nguyên tử có nhiều điện tử, mômen từ
phụ thuộc vào các liên kết: spin – quỹ đạo, spin – spin, quỹ đạo - quỹ đạo. Trong đó
liên kết spin – quỹ đạo là liên kết rất yếu có thể bỏ qua được.







-6-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
1.1.3. Mômen từ nguyên tử
Mômen từ của nguyên tử gồm tổng các mômen từ của các điện tử và mômen từ của
hạt nhân nguyên tử. Nhưng vì mômen từ của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn hàng nghìn

lần tổng các mômen từ của các điện tử nên khi xét đến tính chất từ của vật liệu ta có
thể không xét đến mômen từ của hạt nhân nguyên 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.

1.1.4. Các khái niệm cơ bản [9]
Cường độ từ trường (H)
Từ trường là khoảng không gian trong đó một cực từ chịu tác dụng của một lực. Từ
trường có thể gây ra bởi một cực từ khác hoặc bởi một dòng điện. Cường độ từ trường
biểu thị độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh,
thường kí hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là
Ampe–vòng/mét (A/m). Ngoài ra, khi nghiên cứu từ học, vì sự liên quan giữa hoá học,
vật lý và khoa học vật liệu nên người ta hay sử dụng một hệ đơn vị khác là hệ CGS.
Trong hệ này, đơn vị của H là Oesterd (Oe).

Độ từ hoá (M)
Vật liệu từ khi đặt trong từ trường đều bị từ hoá, hoặc nhiều hoặc ít. Độ từ hoá M
(magnetization) hay độ nhiễm từ (intensity of magnetization) là mômen từ của vật liệu
từ tính trên một đơn vị thể tích. Đó là một vectơ hướng từ cực nam đến cực bắc của
một thanh nam châm. Đơn vị của độ từ hoá M là Wbm/m
3
= Wb/m
2
(Tesla).

Cảm ứng từ (B)
Khi đặt một vật vào trong một từ trường thì cảm ứng từ (hoặc mật độ từ thông)

xuyên qua mặt mặt cắt ngang của vật liệu có thể được biểu diễn như sau:
B = μ
o
( H + M ) (hệ SI) (1.7)
hoặc B = H + 4πM (hệ CGS) (1.8)
trong đó: B là cảm ứng từ
H là từ trường ngoài
M là độ từ hoá
Như vậy, hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của cảm ứng từ B và độ từ hoá M
là khác nhau. Đối với B ta có: 1Wb/m
2
=10
4
Gauss.



-7-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Một số đại lượng khác
Bên cạnh đó, các đại lượng độ từ cảm (magnetic susceptibility) và độ từ thẩm
(magnetic permeability) của vật liệu từ cũng là những thông số quan trọng cho biết
loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ, …) và độ mạnh của hiệu ứng từ liên quan đến vật
liệu từ riêng biệt.
Độ từ cảm χ là tỉ số của độ từ hoá M và từ trường H:
H
M
=

χ

(1.9)
Độ từ thẩm μ là tỉ số của cảm ứng từ B và từ trường H:
H
B
=
μ
(1.10)
Độ từ thẩm μ có đơn vị là Henri/met (H/m). Mối liên hệ giữa độ từ cảm và độ từ thẩm
của vật liệu từ có thể được biểu diễn như sau:
μ = μ
o
(1 + χ) (1.11)
Với μ
o
một hằng số vũ trụ có giá trị là 4π.10
–7
(1,257.10
–6
) H/m, là độ từ thẩm chân
không. Trong các nghiên cứu về các tính chất từ thì thông số từ thẩm là thông số đặc
trưng chính vì nó mô tả sự hưởng ứng của một vật liệu từ với từ trường ngoài.

Bảng 1.1. Các đại lượng từ và các hệ số chuyển đổi giữa 2 hệ SI và CGS
Ký
hiệu
Hệ số chuyển
đổi
Đại lượng

Đơn vị CGS Đơn vị SI
Cường độ từ
trường
H Oersted (Oe)
Ampe.vòng/met
(A/m)
10
3
/4π
Ampe.vòng/met
(A/m)
Độ từ hoá
M emu.cm
-3
10
3

Cảm ứng từ (mật
độ từ thông)
B Gauss Tesla (Wb/m
2
) 10
–4

Không thứ
nguyên
Độ từ thẩm
Henry/m (H/m) ––
μ
Không thứ

nguyên
Độ từ cảm
χ emu.cm
-3
.Oe
-1
4π
Độ từ thẩm chân
không
Không thứ
nguyên
–7
Henry/m (H/m) 4π.10
μ
o





1.2. ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ VÀ PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ[1,5]


-8-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
1.2.1. Chu trình từ trễ trong vật liệu sắt từ và feri từ
Đường cong từ trễ cung cấp các thông tin về từ tính của vật liệu như lực kháng từ
(H

c
), từ độ bão hòa (M
s
) và độ từ dư (M
r
) (hay cảm ứng từ dư B
r
). Chu trình từ trễ
được tạo ra do khi cung cấp từ trường và sau đó bị ngắt, vật liệu còn giữ lại một ít độ
từ hóa, được gọi là độ từ dư. Để độ từ hóa trở về không, từ trường cung cấp phải có
hướng ngược lại cho đến khi không còn độ từ hóa. Giá trị cường độ từ trường cần thiết
để làm việc này gọi là lực kháng từ H
C
. Nếu từ trường cung cấp đã bão hòa trong
hướng ngược lại và bị ngắt, sau đó cung cấp từ trường một lần nữa theo hướng dương,
chu trình từ trễ được hình thành (Hình 1.2).






Lực
kháng từ
Độ từ dư

Hình 1.2. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ

Vật liệu thể hiện tính trễ có thể được phân loại thành từ cứng và từ mềm. Từ cứng
có lực kháng từ lớn. Do đó nó có một vùng diện tích lớn trong chu trình từ trễ. Nó
được gọi là từ cứng vì độ từ hóa khó đạt đến bão hòa và lực kháng từ khó giảm về
không. Từ mềm có lực kháng từ thấp. Điều đó có nghĩa là để đạt đến độ từ hóa bão
hòa thì cần từ trường nhỏ hơn nhiều so với trường hợp từ cứng.
Ngoài cách phân loại dựa theo giá trị của lực kháng từ, việc phân loại các vật liệu
từ còn được tiến hành dựa vào hệ số từ hóa
χ
.




1.2.2.Vật liệu thuận từ


-9-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
-4

Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0 nhưng rất nhỏ, cỡ 10 . Các chất thuận từ
khi chưa bị từ hóa đã có mômen từ nguyên tử nhưng do chuyển động nhiệt các mômen
này sắp xếp hỗn loạn và mômen từ tổng cộng của toàn khối bằng không (Hình 1.3).
Khi đặt chất thuận từ vào từ trường ngoài thì các mômen từ trong chúng định
hướng song song, cùng chiều với từ trường ngoài và do đó chúng có độ từ hóa dương
tuy rất nhỏ.
Ở phần lớn các chất thuận từ, độ cảm từ phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie:
T
C
χ
= C: Hằng số Curie (1.12)












Hình 1. 3. Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ

Vật liệu nghịch từ
1.2.3.
Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ so với một, chỉ vào
khoảng 10
-5

. Ở điều kiện bình thường các chất nghịch từ không biểu hiện từ tính vì
chúng không có các mômen từ tự phát (không bị phân cực từ), nhưng khi đặt chất
nghịch từ vào trong từ trường ngoài thì ở chúng xuất hiện một từ trường phụ có giá trị
rất nhỏ và hướng ngược với từ trường ngoài. Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động
của điện tử trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường
ngoài.

1.2.4.Vật liệu sắt từ
Sắt từ có độ cảm từ có giá trị rất lớn, cỡ 10
6
. Sắt từ là vật liệu từ mạnh, trong chúng
luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách có trật tự ngay cả khi không có từ
trường ngoài .
Trong trạng thái khử từ (H = 0) mômen từ tổng cộng của sắt từ bằng không là do
trong vật chia thành những vùng vi mô riêng lẻ, gọi là các đômen. Bên trong mỗi
vùng, mômen từ của các nguyên tử hướng song song với nhau nhưng mômen từ của
các vùng khác nhau hướng khác nhau nên tổng các mômen từ của cả vật bằng không.


-10-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Trong quá trình từ hóa vật liệu, từ trường ngoài chỉ có tác dụng định hướng mômen từ
của các đômen. Điều này giải thích vì sao chỉ cần một từ trường nhỏ cũng có thể từ
hóa bão hòa sắt từ. Có thể coi sắt từ là vật liệu có trật tự từ.

1.2.5.Vật liệu phản sắt từ
Phản sắt từ có χ ∼ 10
-4

nhỏ. Tương tự như sắt từ, phản sắt từ là các chất được cấu
tạo từ những đômen từ, có trật tự từ và từ tính rất mạnh. Ở phản sắt từ các mômen từ
nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng định hướng đối song song với nhau từng đôi một
nên mômen từ tổng cộng của vật luôn luôn bằng không khi không có từ trường ngoài.














Hình 1.4. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ


1.2.6.Vật liệu feri từ (ferit)
Ferit có độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng của sắt từ (∼ 10
4
) và cũng tồn tại các
mômen từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồm hai phân mạng mà ở đó
các mômen từ spin (do sự tự quay của điện tử tạo ra) có giá trị khác nhau và sắp xếp
phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ
trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < T
C

.






-11-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG







1.3. TÍNH CHẤT SIÊU THUẬN TỪ VÀ HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe
3
O
4

1.3.1. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ [6,7, 28]
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 ở ngoài mặt của vật thể. Tuy nhiên, sự phân chia
đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ, bằng dạng năng lượng ở vách đômen. Kết
quả là sự phân chia sẽ dừng lại ở cấu hình nào mà năng lượng tự do của hệ đạt cực
tiểu.

Hình 1.5. Trật tự mômen từ của các chất (a) nghịch từ, (b)
thuận từ, (c) sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) feri từ.
(
(
(
d
b
(
a e
c
Hình 1.6. Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố.


-12-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
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 :

(1.13)
2
1

2
35 )(
Với:
D
C
là đường kính tới hạn của hạt (m).
K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m
–3
).
A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m
–3
).
μ
0
là độ từ thẩm chân không.
M
S
là độ từ hoá bão hoà (A.m
-1
).

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.
Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong
nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Đó
cũng là điểm khác biệt 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.

1.3.2. Siêu thuận từ
Khi giảm kích thước của hạt xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ dư không
còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ
tinh thể của hạt nữa. Trong trường hợp này, ở ngay nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt
đã đủ để làm cho các mômen từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ.
0
S
C
M
K
A
=
D
μ


-13-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Đây chính là trạng thái liên tục từ tính của chuyển động Brown. Các chuyển động
nhiệt của các phân tử là hỗn độn và bù trừ nhau khi xét đối với toàn hệ (trên toàn
không gian) hoặc đối với một hạt khi xét trên toàn thời gian. Điều này có nghĩa là :
vận tốc <v>
x hoặc t

= 0 và từ độ M
x hoặc t
= 0. Tuy nhiên, khi xét trong một vùng vi mô
(vài hạt từ tính) và trong một khoảng thời gian xác định, vẫn hoàn toàn có thể quan sát
thấy hiệu ứng của chuyển động phân tử v ≠ 0 và M ≠ 0.
Nói chung, các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ khi bán kính giảm xuống dưới 25
nm. Tính chất từ trở nên thú vị khi bán kính của hạt nằm trong khoảng giới hạn của
siêu thuận từ và đơn đômen. Siêu thuận từ là hiện tượng các vật liệu từ có tính thuận từ
ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này xảy
ra ở các hạt có kích thước rất nhỏ, khi mà năng lượng cần để thay đổi hướng của các
mômen từ nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt. Năng lượng cần để thay đổi hướng của
các mômen từ trong tinh thể gọi là năng lượng dị hướng của tinh thể và phụ thuộc vào
tính chất của vật liệu cũng như kích thước của tinh thể. Kích thước của tinh thể giảm
thì năng lượng đó cũng giảm.



Hình 1.7. Đường biểu diễn lực kháng từ H
C
theo kích thước hạt

Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:
• Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
• Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ H
C
bằng 0.



-14-

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG


Hình 1.8: Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

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.

1.3.3. Hạt nanô Ôxit sắt từ Fe
3
O
4
Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe
3
O
4
) [17, 19]
Fe
3
O
4
là một oxít hỗn hợp FeO.Fe
2

O
3
có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc
nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe
2
O
3
, trong đó M có thể
là Fe, Ni, Co, Mn…). Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược.
Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những iôn hóa trị 3 chiếm các vị trí bát
diện còn những iôn hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp
xếp sao cho một nửa số ion Fe
3+
ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe
3+
còn lại và tất cả
số ion Fe
2+
ở vị trí bát diện.
Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O
2-
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
2-
lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của
khối tứ diện.

-15-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 1.9: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp.
Oxy
B-Vị trí bát diện
A-Vị trí tứ diện


Oxit sắt từ Fe
3
O
4
có ô đơn vị lập phương tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32
anion O
2-
, 16 cation Fe
3+
, 8 cation Fe
2+
. Dựa vào cấu trúc Fe
3
O
4
, các spin của 8 iôn
Fe
3+
chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các

spin của 8 iôn Fe
3+
và 8 iôn Fe
2+
ở vị trí bát diện. Các iôn Fe
3+
ở vị trí bát diện này
ngược chiều với các iôn Fe
3+
ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đó, mômen
từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các iôn Fe
2+
ở vị trí bát diện gây ra. Vậy mỗi
phân tử Fe
3
O
4
vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe
2+
ở vị trí bát diện gây ra và
có độ lớn là 4μ
(Bohr magneton). Vì vậy, tinh thể Fe
B 3
O
4
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 nanô đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe
3
O như hạt đơn đômen.

4
Tinh thể Fe
3
O
4
có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hòa M
s
~92 A.m
2
.kg
-1
và
nhiệt độ Curie khoảng 580
0
C .











-16-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

Hình 1.10. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe
3
O
4

Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước
nano, hạt Fe
3
O
4
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…
Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước
nano, hạt Fe
3
O
4
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…

Sự biến đổi và ổn định của magnetite Sự biến đổi và ổn định của magnetite
Magnetite dễ bị oxi hoá trong không khí thành maghemite (γ-Fe
2
O
3
) theo phương
trình:
Magnetite dễ bị oxi hoá trong không khí thành maghemite (γ-Fe
2
O
3
) theo phương
trình:
4 Fe
3
O
4
+ O
2
6 γ-Fe
2
O
3
Ở nhiệt độ lớn hơn 300
0
4 Fe
C, magnetite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe

2
O
3
). 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 các nguyên tử Fe kết
hợp với nước, các phân tử nước này 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 [28].
Ở nhiệt độ lớn hơn 300

Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe
3
O
4
Khi giảm kích thước của các hạt ôxit sắt Fe
3
O
4
thì chúng sẽ là những hạt đơn
đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ
thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt. Ngay cả trong trường hợp vật
liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dầy cỡ
vài nano mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn.
Khi giảm kích thước của các hạt ôxit sắt Fe
Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân
tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong toàn bộ tinh thể.
Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân
tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong toàn bộ tinh thể.
Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mômen từ trong tinh thể khi không có
từ trường ngoài. Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không.

Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mômen từ trong tinh thể khi không có
từ trường ngoài. Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không.
3
O
4
+ O
2
6 γ-Fe
2
O
3
0
C, magnetite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe
2
O
3
). 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 các nguyên tử Fe kết
hợp với nước, các phân tử nước này 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 [28].
Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe
3
O
4
3
O
4
thì chúng sẽ là những hạt đơn
đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ

thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt. Ngay cả trong trường hợp vật
liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dầy cỡ
vài nano mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn.


-17-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Hiện tượng này làm hạn chế khả năng ghi lại môi trường từ của những hạt từ nhỏ
bởi vì siêu thuận từ sẽ làm cho hạt từ mất đi bộ nhớ từ [17]. Điều đó có nghĩa là khi có
sự tác động của từ trường ngoài thì các mômen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của
từ trường và tồn tại một độ từ hóa riêng. Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các
mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ không
còn từ tính nữa. Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0. ( Hình 1.11 ).


Không từ
trường
Từ trường








Hình 1.11. Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi từ
trường bị ngắt.

-18-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG TỪ (MAGNETIC FLUIDS)

2.1. KHÁI NIỆM [6]
Chất lỏng từ là một khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt có từ tính lơ lửng
trong một chất lỏng mang.

Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính là: hạt từ tính (chất
rắn), chất bao phủ về mặt (còn gọi là chất hoạt hóa bề mặt, là chất rắn hoặc chất lỏng)
và dung môi (là môi trường chứa hạt từ và chất bao phủ bề mặt).
Trong các thành phần trên thì hạt từ tính là thành phần quan trọng nhất trong chất
lỏng từ, tính chất đặc biệt của chất lỏng từ phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của hạt từ.
Hạt từ có kích thước từ vài nm (nanômet) đến vài chục nm. Các hạt từ tính là có thể là
sắt từ hoặc siêu thuận từ. Hạt từ tính thường được dùng nhất là hạt ôxít sắt γ-Fe
2
O
3

(maghemite), Fe
3
O
4
(magnetite).
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. Chất hoạt hóa bề mặt còn
có tác dụng che phủ hạt nanô khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể (hệ miễn
dịch) và dễ dàng tạo mối liên kết hóa học với các phân tử khác.
Nếu từ tính của chất lỏng từ do hạt từ quyết định thì tính lỏng của nó do dung môi
quyết định. Dung môi có thể là các chất phân cực như nước, cồn… hoặc các chất
không phân cực như dầu, dung môi hữu cơ. Dung môi có thể có độ nhớt rất khác nhau
hoặc có khả năng bay hơi dưới điều kiện bình thường cũng khác nhau. Tùy thuộc vào
các ứng dụng cụ thể mà người ta dùng dung môi thích hợp. Các ứng dụng sinh hóa
thường dùng dung môi là nước vì nước có tính tương hợp sinh học.

2.2. ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ
2.2.1.Sự cân bằng nồng độ hạt từ
Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần (gồm hạt từ rắn, chất bao, chất lỏng

mang) tương tác hoàn toàn với nhau. Khi các thành phần trong chất lỏng từ hòa quyện
với nhau thành một thể keo tạo nên sự cân bằng nồng độ hạt từ trong keo.
Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng nồng độ keo là hình dạng, kích thước
hạt từ, nồng độ hạt, sự tương tác giữa các hạt (có yếu tố lực hấp dẫn và lực từ của hạt),
độ nhớt chất lỏng, nhiệt độ môi trường, khả năng khuếch tán của hạt…
Coi các hạt từ có dạng hình cầu, đường kính d
h
, khi được từ hóa trong một từ
trường H không đổi có thể đạt được sự cân bằng nồng độ hạt sau khoảng thời gian là:

τ ∼ 3KTπηd
h
(μ
o
mG)
2

(2.1)






-19-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Ở đây
K : Hằng số Boltzmann

T : nhiệt độ
: Độ nhớt chất lỏng
η
o
: Độ từ thẩm chân không
μ
m : Mômen từ của hạt từ
G = ΔH : Độ biến thiên của từ trường từ hóa bên ngoài

2.2.2. Độ ổn định [6, 30]
Một trong các đặc trưng của một chất lỏng từ có chất lượng tốt là độ 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 Brown chống lại được sự kết tụ của các
hạt dưới tác dụng của từ trường
μ
0
H. Kích thước của các hạt có thể xác định bằng cách
so sánh với các loại năng lượng tham gia vào hiện tượng đó:
- Năng lượng chuyển động nhiệt : k
B
T B
- Thế năng : ΔρVgl
- Năng lượng tĩnh từ : μ
0

M
p
HV
trong đó k
B
là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ, Δρ 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 M
p
là từ độ của hạt.
Đối với một chất lỏng từ thực thụ thì điều kiện ổn định luôn luôn là một đòi hỏi
khắt khe. Điều này có nghĩa là các hạt không kết đám hoặc bị tách phase kể cả khi
được đặt trong từ trường lớn.
Ta có:
Điều kiện về độ ổn định đối với lực trọng trường :
k
B
T / (ΔρVgl) ≥ 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 :

k
B
T / (μ
0
M
p
HV) ≥ 1

-20-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
2.2.3.Từ độ của chất lỏng từ [25]
Từ độ của chất lỏng từ phụ thuộc từ tính của chất hạt từ, kích thước hạt, nồng độ
hạt từ, nhiệt độ môi trường, từ trường từ hóa…
Từ độ bão hòa của chất lỏng từ:
M
s
= (2.2)

χ : Hệ số từ hóa của vật liệu
3
18
ho
md
kT
πμ
χ

Phần thể tích của hạt từ trong chất lỏng tương ứng theo tỉ lệ:
(2.3)
m
M
s
m
=

ϕ

2.2.4.Khối lượng riêng của chất lỏng từ
Khối lượng riêng của chất lỏng từ được xác định theo biểu thức sau:
ρ= ρ
s
ϕ
s
+ ρ
a
( ϕ
h
- ϕ
s
) + ρ
f
( 1 - ϕ
h
) (2.4)

trong đó,
s
,
a
, ρ ρ ρ
f
: mật độ khối lượng của pha rắn, chất phủ bề mặt và chất lỏng
mang.
s
và

h
: Tỷ phần thể tích các hạt từ chưa phủ và đã phủ chất họat tính bề mặt. ϕ ϕ

Mật độ khối lượng phụ thuộc nhiệt độ:

T) (2.5) (T) = (o) (1-ρ ρ βΔ

(o): Khối lượng riêng ở nhiệt độ T và ở 0
o
C. trong đó, (T) và ρ ρ
: Hệ số dãn nở nhiệt tương đối của các hạt từ. β
T: Khoảng biến thiên nhiệt độ. Δ

2.2.5.Độ nhớt của chất lỏng từ [25]
Độ nhớt phụ thuộc tính chất của chất lỏng mang. Các dung môi khác nhau (nước,
dầu hỏa, dầu ) sẽ có độ nhớt khác nhau. Ngoài ra độ nhớt còn phụ thuộc vào nồng độ
hạt, nhiệt độ và ảnh hưởng mạnh đến sự từ hóa chất lỏng từ.
=
o
( 1+ 5
s
/2) (2.6) η η ϕ
và
o
: Độ nhớt động học của chất ở dạng keo và dạng lỏng. η η

s
: Nồng độ thể tích của các hạt rắn trong chất lỏng từ. ϕ
Khi từ trường được cung cấp, chất lỏng từ đối mặt với lực trượt, hạt từ có xu hướng
cùng hướng với từ trường. Gradien tốc độ xoay quanh hạt từ trong chất lỏng, do đó độ

nhớt tăng.


-21-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Khi độ xoáy của chất lỏng song song với từ trường cung cấp, hạt từ có thể quay tự do
và độ nhớt không còn bị ảnh hưởng bởi từ trường. Ngược lại, nếu từ trường và tốc độ
trực giao nhau, độ nhớt sẽ tăng lên vì từ trường là lớn nhất .

Độ nhớt của chất lỏng từ khi không có từ trường ngoài
Độ nhớt của một chất lỏng phụ thuộc nhiều vào tiền sử của mẫu 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. 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.
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. 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.

Độ nhớt của chất lỏng từ khi có từ trường ngoài
Độ nhớt của một chất lỏng từ được quyết định bởi độ nhớt của chất lỏng mang.
Như vậy khả năng chọn các dung môi khác nhau (như nước, dầu… ) cho phép thay đổi

độ nhớt của chất lỏng từ. Sự có mặt của các hạt từ trong chất lỏng cũng làm giảm độ
nhớt ban đầu của chúng, ngay cả khi không có từ trường tác dụng. 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
làm thay đổi tốc độ quay của hạt. Kết quả là ma sát của hạt và chất lỏng xuất hiện. Nếu
trường đủ lớn định hướng các hạt (
=0) độ nhớt thu được giá trị cực đại. ω
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 độ nhớt tổng cộng 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 ảnh hưởng lên độ nhớt. Ngược lại, nếu từ trường và các
xoáy vuông góc nhau, độ nhớt của chất lỏng từ sẽ lớn hơn rất nhiều.


-22-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Tác động có hướng của từ trường bị chậm đi 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.

2.3. TƯƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ
2.3.1.Tương tác giữa những hạt từ - sự hình thành chuỗi [9, 25]

Hạt từ đơn đômen của chất lỏng từ tác dụng với những hạt khác thông qua tương

tác lưỡng cực. Năng lượng tương tác dipole giữa hai mômen từ m
1
và m
2
được cho bởi
biểu thức sau:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−=
5
21
3
21
0
dip
r
r)r)(m(m
3
r
mm
4π
μ
E
(2.7)

Trong đó:
.10
-7
(H/m). µ
0
: Độ từ thẩm của chân không = 4π
r : Vectơ nối hai mômen từ.

Năng lượng tương tác dipole giữa hai mômen từ m
1
và m
2
cực tiểu khi chúng tiếp
xúc và có hướng song song với vectơ r.
Trường hợp hạt từ hình cầu, thể tích V= πd
3
/ 6 và mômen m = M
p
.V thì năng lượng
của hệ là:
(2.8)
12
VMμ
E
2
p0
dip
−=
với M
p

: Độ từ hóa của hạt từ.

So sánh năng lượng nhiệt và năng lượng tương tác lưỡng cực cho một hạt,
24k
B
T/µ
o
M
2
p
V, cho phép ta xác định kích thước của các 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 . Trong mọi trường hợp
các hạt thường có khả năng kết tụ thành các chuỗi ngắn. Khi có từ trường đặt vào, các
mômen từ có xu hướng quay theo từ trường, các hạt kết tụ nối tiếp nhau tạo thành một
chuỗi dài và hướng dọc theo phương từ trường. Khi từ trường cao hơn, chuỗi dài hơn.
Sự hình thành chuỗi trong từ trường là thuận nghịch, chuỗi bị đứt khi từ trường trở về
không [19].
B






-23-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG

2.3.2. Tương tác giữa các thành phần của chất lỏng từ [16, 25]
Để đảm bảo sự ổn định của chất lỏng từ, năng lượng chuyển động nhiệt trong chất
lỏng từ phải lớn hơn lực hấp dẫn giữa các hạt. Trong suốt chuyển động nhiệt, từ trường
tác dụng với hạt từ và truyền năng lượng cho hạt từ, hạt từ tương tác với phân tử của
chất lỏng mang, truyền năng lượng cho chất lỏng mang và ngược lại. Năng lượng
tương tác giữa hạt từ và chất lỏng mang là U
T
~ KT (K: Hằng số Boltzmann, T: Nhiệt
độ tuyệt đối).
Toàn bộ hệ chất keo thể hiện sự đồng nhất liên tục hưởng ứng với từ trường ngoài.
Sự ổn định của chất lỏng từ phụ thuộc vào sự tương tác của các hạt từ. Nếu thế năng
tương tác này nhỏ hơn KT, hạt từ không thể kết tụ lại và chất lỏng từ sẽ ổn định.
Lực hấp dẫn giữa những hạt từ xấp xỉ bằng lực từ giữa các phân tử. Khi các hạt từ tiếp
xúc nhau, điện tích được cảm ứng vào trong chúng mà phát sinh lực hấp dẫn (lực
Vander Waals).
Thế năng của lực Vander Waals được cho bởi biểu thức sau:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
++
−
−=
2
2
22

v
s
4s
ln
s
2
4s
2
6
A
U
(2.9)
trong đó A: Hằng số Hamaker, phụ thuộc vào chất liệu hạt từ và chất lỏng mang.
(2.10) s = (2x /d) + 2
Với:
d: Đường kính hạt từ.
x: Khoảng cách giữa những hạt từ.
Từ biểu thức trên, ta thấy khi hạt từ được kéo gần lại với nhau, U
V
→∞. Tuy nhiên
lực Vander Waals giảm một cách đáng kể khi hạt từ ở một khoảng cách nhất định
trong khi lực tương tác từ giữa các hạt từ giảm chậm hơn rất nhiều. Lực từ có một
khoảng cách tác dụng lớn hơn cho cả trường hợp có mặt và không có mặt của từ
trường ngoài. Năng lượng tương tác từ phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt từ. Điều
này có ảnh hưởng đáng kể tới sự ổn định của hệ keo từ.
Khi hạt từ được phủ một lớp của chất kích hoạt bề mặt có chuỗi phân tử dài tạo
sức căng bề mặt, lực đẩy Steric xuất hiện để cắt chuỗi phân tử dài đó làm cho các phân
tử của chất kích hoạt bề mặt bị biến dạng. Áp suất thẩm thấu ở lớp vỏ cũng tăng lên có
tác dụng ngăn hạt từ kết tụ lại với nhau. Để cắt chuỗi phân tử dài trên, lực đẩy Steric
phải có năng lượng và năng lượng này được cho bởi biểu thức sau:

với x < 2 δ
khi x > 2
δ

0
)
2
x
2δ
2
3d
()
2
x
πΓKT(δ
3
2
PV
U
12
s

=
++− ==
−
s

U

-24-


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
Trong đó:
p : Áp suất thẩm thấu.
V : Thể tích của lớp vỏ cắt ngang.
: Độ dầy của lớp vỏ.
δ
: Suất căng mặt ngoài/ đơn vị phân tử.
Γ


Tóm lại, hạt từ phân tán và không bị kết tụ lại trong chất lỏng từ là do sự cân bằng
của những lực cơ bản sau: lực tương tác từ, lực hấp dẫn (lực Vander Waals) và lực đẩy
Steric.