Tổng hợp các hạt nanô từ có các lớp phủ polymer tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CƠNG NGHỆ NANƠ




BÙI ĐỨC LONG




TỔNG HỢP CÁC HẠT NANƠ TỪ CĨ CÁC LỚP
PHỦ POLYMER TƢƠNG THÍCH SINH HỌC
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanơ
Mã số: (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)



LUẬN VĂN THẠC SĨ



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

PGS. TS. Trần Hồng Hải


Thành phố Hồ Chí Minh - 2009








Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
i

MỤC LỤC


MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………………… 01

CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TỪ HỌC, VẬT LIỆU TỪ VÀ CÁC HẠT NANÔ ÔXIT
SẮT SIÊU THUẬN TỪ Fe
3
O
4
04
1.1. CƠ SỞ TỪ TÍNH TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ…………………… ….04
1.1.1.Mômen từ quĩ đạo của điện tử……………………………………………… 04
1.1.2.Mômen từ spin của điện tử………………………………………………… 05
1.1.3.Mômen từ nguyên tử…………………………………………………… 06

1.1.4.Các khái niệm cơ bản…………………………………………………… 06
1.2.ĐƢỜNG CONG TỪ TRỄ VÀ PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ…………….08
1.2.1. Chu trình từ trễ trong vật liệu sắt từ và feri từ………………………… 08
1.2.2.Vật liệu thuận từ…………………………………………………………… 09
1.2.3.Vật liệu nghịch từ……………………………………………………………. 09
1.2.4.Vật liệu sắt từ…………………………………………………………… 09
1.2.5.Vật liệu phản sắt từ……………………………………………………… …. 10
1.2.6.Vật liệu feri từ (ferit) 10
1.3. TÍNH CHẤT SIÊU THUẬN TỪ VÀ HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe
3
O
4
…………… 11
1.3.1. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ…………………………… 11
1.3.2. Siêu thuận từ…………………………………………………………… 12
1.3.3. Hạt nanô Ôxit sắt từ Fe
3
O
4
………………………………………………… 14

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG TỪ (MAGNETIC FLUIDS)…… 18
2.1. KHÁI NỆM…………………………………………………………………………… 18
2.2. ĐẶC TRƢNG CỦA CHẤT LỎNGTỪ………………………………………… 18
2.2.1.Sự cân bằng nồng độ hạt từ………………………………………………… 18
2.2.2. Độ ổn định………………………………………………………………… 19
2.2.3.Từ độ của chất lỏng từ…………………………………………………… 20
2.2.4.Khối lƣợng riêng của chất lỏng từ……………………………………………20
2.2.4.Khối lƣợng riêng của chất lỏng từ……………………………………………20
2.2.5.Độ nhớt của chất lỏng từ………………………………………………… 21

2.3.TƢƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ…………………………………………….22
2.3.1.Tƣơng tác giữa những hạt từ - sự hình thành chuỗi……………………… 22
2.3.2. Tƣơng tác giữa các thành phần của chất lỏng từ………………………… 23


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
ii


CHƢƠNG 3. NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ MRI VÀ CÁC ỨNG DỤNG
CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ TRONG Y SINH HỌC……………………………….25
3.1. NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ………………………………………25
3.1.1. Cộng hƣởng từ hạt nhân…………………………………………………… 25
3.1.2 Cấu tạo và hoạt động của máy chụp ảnh cộng hƣởng từ MRI……………… 30
3.2. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe
3
O
4
VÀ CHẤT LỎNG TỪ TRONG
LĨNH VỰC Y SINH HỌC……………………………………………………………………….34
3.2.1.Tăng tính tƣơng phản cho ảnh cộng hƣởng từ…………………………………34
3.2.2. Phân tách và chọn lọc tế bào………………………………………………… 37
3.2.3. Dẫn truyền thuốc…………………………………………………………… 38
3.2.4. Nâng thân nhiệt cục bộ……………………………………………………… 40
3.2.5.Vá mô………………………………………………………………………….41
3.2.6. Dùng hạt nanô từ để khử độc……………………………………………… 41

CHƢƠNG 4. CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH HẠT NANÔ TỪ VÀ
CHẤT LỎNG TỪ
…………….………………………………………………………………………………42

4.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ
………………………………………………………………………………………………… 42
4.1.1. Phƣơng pháp nghiền bi……………………………………………………….42
4.1.2. Phƣơng pháp ngƣng tụ……………………………………………………….42
4.1.3. Phƣơng pháp sol-gel………………………………………………………….43
4.1.4 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng………………………………………………… 43
4.1.5. Phƣơng pháp đồng kết tủa hạt……………………………………………… 44
4.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ
……………………………………………………………………………………………44
4.2.1. Nhiễu xạ tia X……………………………………………………………… 44
4.2.2. Từ kế mẫu rung……………………………………………………………….46
4.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua………………………………………………47
4.2.4. Kính hiển vi điện tử quét…………………………………………………… 48
4.2.5. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại: FT-IR …………………………………… 50

CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM - CHẾ TẠO CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN
TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ……………………………………………………………… 51
5.1. MỤC ĐÍCH………………………………………………………………………………51


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
iii



5.2. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM…………………………………………………… 51
5.2.1. Thiết bị……………………………………………………………………… 51
5.2.2. Hóa chất …………………………………………………………………… 51
5.2.3. Quá trình thực nghiệm……………………………………………………… 53

CHƢƠNG 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN…………………………….62
6.1. KHẢO SÁT CẤU TRÚC PHA VÀ KÍCH THƢỚC HẠT CỦA CÁC HẠT NANÔ ÔXIT
SẮT TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ ……………………………………………………………… 62
6.2. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ VÀ CHẤT
LỎNG TỪ …………………………………………………………………………………… 65
6.3. PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI FT-IR…………………………………………………68
6.4. PHÂN TÍCH HÌNH DẠNG HỌC, KÍCH THƢỚC HẠT VÀ PHÂN BỐ HẠT……… 69
6.5. KIỂM TRA QUÁ TRÌNH LÃO HÓA CỦA CÁC CHẤT LỎNG TỪ …………………72

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI …………………………….74

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN……………………………… 76


Tài liệu tham khảo 78

PHỤ LỤC………………………………………………………………………………………80

Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


Hình 1.1 : Quĩ đạo chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân 04

Hình 1.2. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ………………………………………….08

Hình 1. 3. Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ……………………… 09

Hình 1.4. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ……………………………………… 10

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………………………………………………………………… 11

Hình 1.6. Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố…………………………… 11

Hình 1.7. Đƣờng biểu diễn lực kháng từ H
C
theo kích thƣớc hạt……………… 13

Hình 1.8: Đƣờng cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ…………………………… 14

Hình 1.9: Cấu trúc tinh thể ferit thƣờng gặp…………………………………… 15

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

3
O
4
…………………… 16

Hình 1.11. Sự định hƣớng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trƣờng và khi từ
trƣờng bị ngắt………………………………………………………………………… 17

Hình 3.1. Giản đồ của hạt nhân hydrogen trƣớc và sau khi đặt từ trƣờng B
0
26

Hình 3.2. Giản đồ mô tả đặc tính của vector từ độ M khi đặt trong xung RF 27

Hình 3.3. Quá trình hồi phục ngang và dọc của spin hạt nhân………………………28




Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
v

Hình 3.4. Ảnh MRI của não 30

Hình 3.5. Máy chụp ảnh cộng hƣởng từ MRI 31

Hình 3.6: Ảnh MRI của tuỷ sống và não 31

Hình 3.7. Thiết kế cơ bản của một máy MRI 32

Hình 3.8. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản 38

Hình 3.9. Thuốc đƣợc định vị tại nơi cần điều trị 39

Hình 4.1. Máy đo phổ nhiễu xạ tia X 45

Hình 4.2. Mô hình từ kế mẫu rung 46

Hình 4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua 48

Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của SEM 49

Hình 4.5. Kính hiển vi điện tử quét……………………………………………………49

Hình 4.6. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 50

Hình 5.1. Bột Dextran ………………………………………………………… 52

Hình 5.2. Sơ đồ chế tạo các hạt nanô ôxit sắt từ Fe
3
O
4
54

Hình 5.3. Qui trình chế tạo các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ Fe
3
O
4
55

Hình 5.4: Mô hình biểu diễn sự gắn kết Dextran lên bề mặt hạt nanô Fe
3
O
4
57

Hình 5.5. Sơ đồ chế tạo chất lỏng từ sau quá trình tạo hạt. 57

Hình 5.6. Qui trình tổng hợp chất lỏng từ từ các hạt Fe
3
O
4
đã chế tạo trƣớc đó 58


Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
vi


Hình 5.7. Sơ đồ chế tạo chất lỏng từ song song với quá trình tạo hạt Fe
3
O
4
59

Hình 5.8. Qui trình chế tạo chất lỏng từ song song với quá trình tạo hạt Fe
3
O
4
60

Hình 6.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu hạt trần Fe
3
O
4
62

Hình 6.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu chất lỏng từ LD2 và LD4 64

Hình 6.3. Đƣờng cong từ hóa của các mẫu hạt trần Fe
3
O
4
66

Hình 6.4. Độ từ hóa của các mẫu chất lỏng từ 67

Hình 6.5. Phổ hấp phụ hồng ngoại của các mẫu chất lỏng từ 68

Hình 6.6. Ảnh SEM của mẫu LH2 69

Hình 6.7. Ảnh SEM của mẫu LDH4 69

Hình 6.8. Ảnh SEM của mẫu LH1 70

Hình 6.9. Ảnh SEM của mẫu LD2 70

Hình 6.10. Ảnh TEM mẫu LDH2 71

Hình 6.11. Ảnh TEM mẫu LD1 71

Hình 6.12. Ảnh MRI chụp gan thỏ tại Bệnh viện Chợ RẪY 73









Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
vii



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


Bảng 1.1. Các đại lƣợng từ và các hệ số chuyển đổi giữa 2 hệ SI và CGS 07

Bảng 5.1: Các mẫu hạt Fe
3
O
4
đƣợc tổng hợp theo các điều kiện khác nhau 56

Bảng 5.2. Các mẫu chất lỏng từ chế tạo theo qui trình 1 ở các điều kiện thí nghiệm
khác nhau 59

Bảng 5.3. Các mẫu từ lỏng đƣợc tổng hợp theo qui trình 2 ở các điều kiện thí nghiệm
khác nhau 61

Bảng 6.1. Kích thƣớc hạt tính theo công thức Scherrer của các mẫu hạt trần Fe
3
O
4
.
63
Bảng 6.2. Kích thƣớc hạt của các mẫu chất lỏng từ LD 65

Bảng 6.3. Kích thƣớc hạt và độ từ hóa của các mẫu LH 66

Bảng 6.4. Độ từ hóa của các mẫu chất lỏng từ 67

Bảng 6.5. Kích thƣớc của các hạt trần Fe
3
O
4
căn cứ theo các hình SEM 70

Bảng 6.6. Kích thƣớc của các mẫu chất lỏng từ căn cứ theo các hình SEM 71

Bảng 6.7. Giá trị từ hóa bão hòa và sự kết tụ của các mẫu từ lỏng theo thời gian 72

Bảng 6.8. Kết quả kiểm tra độ độc tố của các mẫu chất lỏng từ trên chuột 73

-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.