ác đặc trưng đốt nóng cảm ứng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh hưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
--------------------------

LƯU HỮU NGUYÊN

CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG
CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
--------------------------

LƯU HỮU NGUYÊN

CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG
CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH. NGUYỄN XUÂN PHÚC
PGS.TS. PHẠM THANH PHONG

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến
GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và PGS.TS. Phạm Thanh Phong – những người
Thầy đã dành cho tôi sự động viên, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Các Thầy thực sự là
những nhà khoa học mẫu mực, là tấm gương sáng cho bản thân tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ và khích lệ của PGS.TS. Lê
Văn Hồng, PGS.TS. Đỗ Hùng Mạnh, PGS.TS. Vũ Đình Lãm, TS. Ngô Thị Hồng Lê
và TS. Lê Trọng Lư đã dành cho tôi trong những năm qua.
Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các
đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thành viên thuộc
Phòng Vật lý vật liệu từ - siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y sinh vì sự giúp đỡ
thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá
trình thực hiện Luận án. Đặc biệt, tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ chí
tình đầy hiệu quả của TS. Phạm Hồng Nam, TS. Phạm Thị Thanh, NCS. Đỗ Khánh

Tùng, NCS. Phan Quốc Thông, ThS. Lê Thị Hồng Phong, ThS. Tạ Ngọc Bách.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Nguyễn Thị Kim Thanh
và TS. Lê Đức Tùng, Đại học London, Vương quốc Anh vì những bàn luận sâu sắc
trong hợp tác nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa
học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trường Cao đẳng Sư
phạm Nha Trang nay là Trường Đại học Khánh Hòa đã tạo điều kiện thuận lợi về
thời gian, tinh thần cũng như vật chất để tôi hoàn thành luận án.
Luận án này được hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng
ứng dụng mã số ĐT-NCCB-ĐHƯD-2012-G/08 (NAFOSTED), đề tài hợp tác quốc
tế FA2386-14-1-0025 và FA2386-17-1-4042 (AOARD), và đề tài nghiên cứu cơ
bản mã số103.02–2015.74 (NAFOSTED). Luận án được thực hiện tại Phòng Vật lý
vật liệu từ và siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y sinh (VKHVL – VHLKHCNVN).
i


Nhân dịp này tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình với bạn bè, Thầy cô
và những người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng
xin được cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ và những lời động viên, chia sẻ những khó
khăn khi thực hiện luận án của anh chị em trong tổ Vật lý – KTCN, Khoa Tự nhiên
của Trường Đại học Khánh Hòa.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình.
Những lời động viên của bố mẹ, vợ con thực sự là những tình cảm vô giá, là nguồn
động lực tinh thần vô tận giúp tôi hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

Lưu Hữu Nguyên

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn khoa học của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và PGS.TS. Phạm Thanh Phong.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã được xuất
bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Lưu Hữu Nguyên

iii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
I. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
aexp

: hằng số mạng

Aex

: hệ số tương tác trao đổi

C

: nhiệt dung riêng của hệ chất lỏng từ

dhkl

: hằng số mạng của tinh thể

dsp

: đường kính tới hạn siêu thuận từ

D

: kích thước hạt – đường kính hạt

DB

: đường kính – tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế

Dcp

: kích thước tới hạn

DH

: đường kính động học

DN

: đường kính – tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế

DSPM

: đường kính siêu thuận từ tới hạn

DXRD

: kích thước hạt tinh thể

D0

: giá trị trung bình của đường kính

Ea

: năng lượng kích hoạt

EH

: năng lượng dị hướng từ tinh thể

f

: tần số

g ( D)

: hàm phân bố log-tự nhiên

H

: cường độ từ trường

HC

: lực kháng từ

hkl

: các chỉ số Miler

K

: dị hướng từ

KC

: giá trị dị hướng từ phân tách nhóm A – nhóm B

Keff

: dị hướng từ hiệu dụng

KS

: hằng số dị hướng bề mặt

KV

: hằng số dị hướng từ tinh thể

kB

: hằng số Boltzman

M

: từ độ
iv


MD

: từ độ đô men khối

MH

: thành phần từ độ song song với từ trường

Mr

: từ dư

MS

: từ độ bão hòa

ms

: khối lượng của chất lỏng từ

mi

: khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng từ

P

: công suất đốt nóng cảm ứng từ

Phys

: công suất toả nhiệt trong một chu trình từ trễ

PN

: công suất đốt nóng do tổn hao hồi phục Néel

PLRT

: công suất đốt nóng cảm ứng từ theomô hình LRT

PLRT

: công suất đốt nóng cảm ứng từ trung bình

rc

: bán kính tới hạn

T

: nhiệt độ

TB

: nhiệt độ khóa

Tc

: nhiệt độ Curie

V

: thể tích

β

: bề rộng vạch ở 1/2 giá trị cường độ cực đại

τ

: thời gian hồi phục

τB

: thời gian hồi phục Brown

τm

: thời gian đặc trưng của các phép đo

τN

: thời gian hồi phục Néel

τ0

: thời gian hồi phục đặc trưng của hệ hạt nano siêu thuận từ không
tương tác

∆SLPmax
∆M S

: độ dốc của hàm tuyến tính SLPmax(MS)

∆Dcp

: độ rộng bán vạch

∆T
∆t

: tốc độ gia nhiệt

δ

: độ dày lớp bọc
v


δ±

: xác suất chuyển trạng thái

μ0

: độ từ thẩm chân không

ρc

: khối lượng riêng

ω

: tần số góc

χ ,,

: phần ảo của độ cảm từ xoay chiều

χd

: độ cảm từ xoay chiều ở vùng từ trường cao

η

: độ nhớt

σ

: độ lệch chuẩn của phân bố kích thước

λ

: bước sóng

θ

: góc Bragg

II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

AMF

Alternative Magnetic field

từ trường xoay chiều

BBB

Blood – Brain barrier

hàng rào thế của máu – não

DBB

hyperthermia-based drug

nhả thuốc bằng kích nhiệt từ

delivery through bond breaking

thông qua phá vỡ liên kết

hyperthermia-based controlled

nhả thuốc bằng kích nhiệt từ qua

DEP

drug delivery through enhanced độ thẩm từ tăng cường
permeability
Field emission scanning

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ

electron microscope

trường

IH

Induction heating

Đốt nóng cảm ứng

LRT

Linear response theory

Lý thuyết đáp ứng tuyến tính

FESEM

vi


MIH

Magnetic Inductive Heating

Đốt nóng cảm ứng từ

SAR

Specific Absorption Rate

tốc độ hấp thụ riêng
tốc độ hấp thụ riêng cực đại

SARmax
SLP

Specific Loss Power

công suất tổn hao riêng
công suất tổn hao riêng cực đại

SLPmax
SQUID

Superconducting quantum

Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn

interference device
SWMBTs

Stoner – Wohlfarth Model

Lý thuyết dựa trên mô hình

Based Theories

Stoner – Wohlfarth

VOC

Volatile Organic Compound

các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

VSM

Vibrating sample

Hệ từ kế mẫu rung

magnetometer
XRD

X-ray difraction

Nhiễu xạ tia X

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Cấu trúc đô men trong hạt từ.

Hình 1.2.

Hình mô tả năng lượng của một hạt đơn đô men có dị hướng đơn
trục.

Hình 1.3.

Nhiệt độ khóa phụ thuộc thời gian thực nghiệm cho hai trường hợp
τSQUID ≈ 102 s, τFMR ≈ 10-10 s.

Hình 1.4.

Đường từ hóa theo các trục dễ, trung bình và khó của tinh thể: a) Fe,
b) Ni và c) Co.

Hình 1.5.

Sơ đồ mô tả năng lượng dị hướng từ tinh thể.

Hình 1.6.

Sự sắp xếp spin bề mặt của các hạt sắt từ trong hai trường hợp dị
hướng bề mặt khác nhau K < 0 và K > 0.

Hình 1.7.

Dị hướng từ phụ thuộc và đường kính hạt.

Hình 1.8.

Mô hình mô tả quá trình tổng hợp chất lỏng từ.

Hình 1.9.

Một số ứng dụng của hiệu ứng IH trong công nghiệp: (a) nung chảy
kim loại, (b) làm cứng đường ray, (c) làm mối liên kết và (d) niêm
phong.

Hình 1.10.

Quá trình đốt nhiệt tự khống chế nhiệt độ của các hạt ferrite spinel (từ
trường 56 kHz, 100 Oe).

Hình 1.11.

Mô hình mô tả quá trình gia công tế bào để điều chỉnh độ insulin.

Hình 1.12.

Sơ đồ hai cơ chế phân phối thuốc có kiểm soát bằng phương pháp
nhiệt: a) DBB và b) DEP.

Hình 1.13.

Mô hình nhiệt từ trị ung thư.

Hình 1.14.

Một số ứng dụng của hiệu ứng MIH.

Hình 1.15.

Điều kiện áp dụng của các mô hình lý thuyết tổn hao Rayleigh,
SWMBTs và LRT.

Hình 1.16.

Chu trình từ trễ vuông lý tưởng.

Hình 1.17.

Sự phụ thuộc của tổn hao từ trễ vào cường độ từ trường với (a) các
mẫu Fe3O4 chế tạo bằng các phương pháp khác nhau và (b) các mẫu
viii


có kích thước khác nhau.

Hình 1.18.

Sự phụ thuộc của công suất tổn hao vào kích thước hạt Fe3O4.

Hình 1.19.

Quá trình tổn hao hồi phục Néel.

Hình 1.20.

Quá trình tổn hao hồi phục Brown.

Hình 1.21.

Mô hình hóa đường cong từ hóa.

Hình 1.22.

Sự phụ thuộc SAR vào ωτ.

Hình 1.23.

Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau.

Hình 1.24.

SLP phụ thuộc vào đường kính hạt Fe3O4.

Hình 1.25.

Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của CoFe2O4 và Fe3O4 ứng với các
độ nhớt khác nhau.

Hình 1.26.

Sự phụ thuộc tốc độ gia nhiệt vào bán kính hạt của hệ hạt nano từ 1 –
BaFe6O19, 2 – CoFe2O4, 3 – Fe3O4 và 4 – γ- Fe2O3 ở từ trường 0,09 T,
300 kHz.

Hình 1.27.

Sự phụ thuộc tốc độ gia nhiệt vào kính thước hạt của hệ hạt nano từ
FeCo với các giá trị dị hướng từ K khác nhau.

Hình 2.1.

Sự phụ thuộc vào D của các thời gian hồi phục đối với các hệ chất
lỏng hạt nano từ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d)
Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.2.

Sự phụ thuộc của SLP vào D của các hệ chất lỏng hạt nano từ FeCo,
LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với từ trường 65 Oe,
236 kHz.

Hình 2.3.

Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các cường độ từ trường khác
nhau của các hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4,

(e) CoFe2O4 và (f) FePt.
Sự phụ thuộc vào H của tỷ lệ

Hình 2.4.

SLP ( H )

SLP ( H = 50 ( Oe ) )

đối với các hệ FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với đường kính (a) 4
nm và (b) 36 nm.

ix


Hình 2.5.

Sự phụ thuộc vào H của tỷ lệ

SLPmax ( H )

SLPmax ( H = 50 ( Oe ) )

đối với các hệ FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp.
Hình 2.6.

Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các tần số khác nhau của các hệ
(a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và
(f) FePt.
Sự phụ thuộc vào f của tỷ lệ

Hình 2.7.

SLP ( f )
đối với các hệ FeCo,
SLP ( f = 100 ( kHz ) )

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt có kích thước hạt 5 nm.
Hình 2.8.

Sự phụ thuộc vào f của SLP đối với các hệ FeCo, LSMO, MnFe2O4,
Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.

Hình 2.9.

Sự phụ thuộc vào f của

SLP ( f )
đối với các hệ
SLP ( f = 100 ( kHz ) )

FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp ( f
= 100 kHz).
Hình 2.10.

Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các giá trị Ms khác nhau của các
hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4
và (f) FePt.

Hình 2.11.

Sự phụ thuộc vào MS của SLPmax của các hệ (a) FeCo, (b)
La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.12.

Sự phụ thuộc SLP vào D ứng với các độ nhớt η khác nhau của các hệ
(a) CoFe2O4 và (b) FePt.

Hình 2.13.

Sự phụ thuộc SLPmax vào MS ứng với các độ nhớt η khác nhau của các
hệ (a) CoFe2O4 và (b) FePt.

Hình 2.14.

Sự phụ thuộc vào D của SLP đối với các hệ (a) FeCo, (b) LSMO, (c)
MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt ứng với các σ khác
nhau.

x


Hình 2.15.

Sự phụ thuộc vào σ của

SLPmax (σ )
đối với các hệ FeCo, LSMO,
SLPmax (σ = 0 )

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.
Hình 2.16.

Sự phụ thuộc vào σ của

SLPmax (σ )
đối với các hệ FeCo, LSMO,
SLPmax (σ = 0 )

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với tần số (a)100 kHz và (b) 1
MHz.

Hình 2.17.

Sự phụ thuộc vào σ của

SLPmax (σ )
đối với các hệ FeCo, LSMO,
SLPmax (σ = 0 )

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với độ nhớt (a) 1 mPa•s và (b)
5mPa•s.
Hình 2.18.

Đồ thị SLP(D) của hệ chất lỏng hạt nano từ Fe3O4 với các giá trị K
khác nhau.

Hình 2.19.

Sự phụ thuộc vào K của hai tham số Dcp và ∆Dcp của hệ chất lỏng hạt
nano từ Fe3O4 với các giá trị K khác nhau.

Hình 2.20.

Sự phụ thuộc vào σ của

SLPmax (σ )
đối với hệ chất lỏng hạt nano từ
SLPmax (σ = 0 )

Fe3O4.
Hình 2.21.

Đồ thị DC (K) ứng với (a) các tần số khác nhau hoặc (b) các độ nhớt
khác nhau.

(

)

−B × f − f
Đồ thị KC (a) theo f với hàm: KC (=
f ) A1 1 − e 1 ( 0 ) ,

Hình 2.22.

hoặc (b) theo η với hàm: KC (η ) = A2 + B2 ×η .

Hình 3.1.

Cấu tạo đơn giản của một bình thủy nhiệt.

Hình 3.2.

Sơ đồ tổng hợp hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4.

Hình 3.3.

Thiết bị Siemens D5000.

Hình 3.4.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.5.

Ảnh FESEM của các mẫu (a) MFT100; (b) MFT180; (c) CFT100 và
(d) CFT180.
xi


Hình 3.6.

Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Hình 3.7.

Đường từ hóa ban đầu và đường làm khớp theo định luật chậm tới hạn
của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Hình 3.8.

Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ CoFe2O4.

Hình 3.9.

Đường từ hóa ban đầu và đường làm khớp theo định luật tiệm cận tới
bão hòa của các hệ hạt nano từ CoFe2O4.

Hình 3.10.

Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu (a) MFT120; (b)
MFT140; (c) MFT160 và (d) MFT180.

Hình 3.11.

Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu(a) CFT120; (b)
CFT140; (c) CFT160 và (d) CFT180.

Hình 3.12.

Hệ phát từ trường xoay chiều: Model RDO-HFI.

Hình 3.13.

(a) Minh họa bố trí thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, (b) cách xác
định tốc độ tăng nhiệt ban đầu từ đường nhiệt độ đốt phụ thuộc thời
gian.

Hình 3.14.

Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b)
CFT100 cho từ trường các cường độ khác nhau, tần số f = 236 kHz.

Hình 3.15.

Phụ thuộc SAR vào từ trường đo cho 2 chất lỏng từ MFT100 và
CFT100.

Hình 3.16.

Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b)
CFT100 đo tại từ trường cùng cường độ 80 Oe với 3 tần số khác nhau

Hình 3.17.

Giá trị của SAR phụ thuộc vào f.

Hình 3.18.

Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ nền hạt nano kích
thước khác nhau, của: (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.19.

Giá trị SAR/MS và SLP/MS của chất lỏng từ MnFe2O4.

Hình 3.20.

Giá trị SAR/MS và SLP/MS của chất lỏng từ CoFe2O4.

Hình 3.21.

Đường gia nhiệt đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ: (a)
MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.22.

Sự phụ thuộc SAR vào độ nhớt của các hệ chất lỏng từ (a) MnFe2O4 và
(b) CoFe2O4.
xii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1.

Một số vật liệu được dùng làm lõi, vỏ và dung môi của chất lỏng từ.

Bảng 1.2.

Kích thước của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 1.3.

Dị hướng từ của một số vật liệu khối.

Bảng 1.4.

Dị hướng từ của Fe3O4.

Bảng 1.5.

Giá trị SAR của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 2.1.

Tính chất từ của các hệ hạt nano từ.

Bảng 2.2.

Các giá trị DN, DNB, DB, Dcp và ∆Dcp của các chất lỏng hạt nano từ (tần
số 236 kHz).

Bảng 2.3.

Giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ tính theo các tần số từ trường khác
nhau.
Độ dốc

Bảng 2.4.

∆SLPmax

của các hệ chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4,
∆M s

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.
Bảng 2.5.

Các giá trị DN, DNB, DB và Dcp của các chất lỏng hạt nano từ FeCo và
Fe3O4.

Bảng 2.6.

Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của hai hệ CoFe2O4 và FePt.
Các giá trị

Bảng 2.7.

∆SLPmax
và hệ số làm khớp hàm R2 của các hệ FeCo,
∆M S

CoFe2O4 và FePt ứng với các độ nhớt khác nhau.
SLPmax (σ )
của các hệ chất lỏng hạt nano từ.
SLPmax (σ = 0 )

Bảng 2.8.

Giá trị

Bảng 2.9.

Giá trị ∆Dcp các hệ chất lỏng hạt nano từ.
Các giá trị

Bảng 2.10.

SLPmax (σ )
và SLPmax của các hệ chất lỏng hạt nano từ
SLPmax (σ = 0 )

MnFe2O4 và CoFe2O4.
Bảng 2.11. Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của chất lỏng hạt nano từ Fe3O4.
Bảng 2.12. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp thay đổi theo K ứng với các tần số khác nhau.
xiii


Bảng 2.13. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp thay đổi theo giá trị K ứng với các độ nhớt
khác nhau (100 kHz).
Bảng 2.14. Các giá trị KC ứng với các độ nhớt khác nhau hoặc các tần số khác
nhau.
Bảng 3.1.

Bảng tổng hợp các mẫu nghiên cứu.

Bảng 3.2.

Các giá trị DXRD và aexp.

Bảng 3.3.

Các giá trị MS, Keff và DSPM của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Bảng 3.4.

Các giá trị MS, HC, MR và Keff của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4.

Bảng 3.5.

Phân bố kích thước động học của các hệ chất lỏng từ.

Bảng 3.6.

Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100 ứng với
cường độ từ trường khác nhau.

Bảng 3.7.

Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100 ứng với
tần số khác nhau.

Bảng 3.8.

Các giá trị SAR và SAR /MS của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Bảng 3.9.

Các giá trị SAR và SAR /MS của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4.

Bảng 3.10. SLP và SAR của các hệ CFT100 và MFT100.
Bảng 3.11. Các thời gian hồi phục của MFT00 và CFT100.

xiv


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn

i

Lời cam đoan

iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

iv

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

viii

Danh mục các bảng

xiii

MỞ ĐẦU .........................................................................................................

1

Chương 1. HIỆU ỨNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG TỪ CỦA CHẤT LỎNG HẠT
NANO TỪ .......................................................................................................

7

1.1. Tổng quan về hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ .............................................

7

1.1.1. Hạt nano từ và hạt siêu thuận từ: những đặc tính cơ bản .................

7

1.1.1.1. Đô men của các hạt nano từ ............................................

7

1.1.1.2. Trạng thái siêu thuận từ ..................................................

9

1.1.1.3. Sự phụ thuộc của dị hướng từ theo kích thước hạt ..........

11

1.1.2. Chất lỏng từ: chế tạo và ứng dụng ..................................................

14

1.1.3. Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ và ứng dụng ...................................

16

1.2. Các cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ .................................

22

1.2.1. Các yếu tố đóng góp cho công suất đốt nóng cảm ứng từ................

22

1.2.2. Tổn hao từ trễ .................................................................................

23

1.2.3. Tổn hao hồi phục Néel ...................................................................

26

1.2.4. Tổn hao hồi phục Brown ................................................................

27

1.2.5. Lý thuyết đáp ứng tuyến tính LRT ..................................................

28

1. 3. Các khó khăn, thách thức trong nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa hiệu ứng
đốt nóng cảm ứng từ của hệ chất lỏng hạt nano từ ...........................................

30

1.3.1. Kích thước hạt và vấn đề khống chế kích thước hạt, độ hẹp phân bố kích
thước .......................................................................................................

31

1.3.2. Từ độ hạt nano và vấn đề suy giảm từ độ do lớp chết từ bề mặt .....

33

1.3.3. Độ dị hướng từ trong các hạt nano từ chế tạo .................................

34

1.3.4. Các yêu cầu về độ nhớt trong các ứng dụng khác nhau ...................

37

xv


1.4. Tổng quan về các nghiên cứu công suất đốt nóng cảm ứng từ ...................

37

1.4.1. Các nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................

37

1.4.2. Các nghiên cứu lý thuyết ................................................................

40

Tóm lược chương 1 .........................................................................................

44

Chương 2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG
TỪ THEO MÔ HÌNH ĐÁP ỨNG TUYẾN TÍNH ........................................

45

2.1. Các đặc trưng công suất đốt nóng cảm ứng từ ............................................

46

2.1.1. Sự cạnh tranh giữa hai đóng góp tổn hao hồi phục .........................

47

2.1.2. Biểu hiện đỉnh cực đại của đường SLP phụ thuộc kích thước hạt ....

50

2.1.3. Đặc trưng tham số tối ưu của các vùng có cơ chế tổn hao khác nhau

52

2.2. Ảnh hưởng của các tham số vật lý đến tham số công suất tối ưu ................

53

2.2.1. Các tham số của từ trường kích hoạt ...............................................

53

2.2.2. Từ độ bão hòa ................................................................................

62

2.2.3. Độ nhớt của mẫu chất lỏng .............................................................

66

2.2.4. Phân bố kích thước hạt ...................................................................

71

2.3. Vai trò của tham số dị hướng từ trong sự cạnh tranh đóng góp giữa tổn hao hồi
phục Néel và Brown. ........................................................................................

77

2.4. Một số định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm .......................................

86

Kết luận chương 2 ..........................................................................................

89

Chương 3. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ
THUYẾT .........................................................................................................

90

3.1. Chế tạo các chất lỏng từ CoFe2O4 và MnFe2O4 ..........................................

91

3.1.1. Hóa chất và thiết bị.........................................................................

91

3.1.2. Quy trình chế tạo hệ hạt nano từ .....................................................

91

3.1.3. Chế tạo chất lỏng từ........................................................................

92

3.2. Đặc trưng cấu trúc tinh thể và tính chất từ..................................................

93

3.2.1. Cấu trúc tinh thể .............................................................................

93

3.2.2. Tính chất từ của hai hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4 ..................

96

3.3. Đường kính động học và độ nhớt chất lỏng từ ........................................... 100
3.3.1. Đường kính động học của các hạt nano từ ...................................... 100
xvi


3.3.2. Độ nhớt chất lỏng từ ....................................................................... 103
3.4. Hệ thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ ........................................................ 104
3.5. Một số thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết ...................... 106
3.5.1. Ảnh hưởng của từ trường đo đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ .... 106
3.5.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano từ đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng
từ ............................................................................................................. 110
3.5.3. Phân tích đóng góp của tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục
Brown ..................................................................................................... 115
Kết luận chương 3 .......................................................................................... 120
KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................... 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......... 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............ 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 126

xvii


MỞ ĐẦU
Trong vài thập kỷ gần đây, khoa học và công nghệ nano đã và đang tạo ra
nhiều điều kỳ diệu đến nỗi người ta xem nó như một cuộc cách mạng trong thế kỷ

21. Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo
và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích
thước trên quy mô nano mét. Đối tượng của các công nghệ này chính là các vật liệu
nano. Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100 nm có những tính
chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối cùng thành phần. Điều này là do ảnh hưởng
của hiệu ứng kích thước. Các vật liệu nano đã mở ra những ứng dụng mới trong
điện tử, cơ khí, xử lý môi trường, và đặc biệt trong y sinh.
Các hạt nano từ với kích thước nano mét được ứng dụng rất nhiều trong các
lãnh vực như xử lý môi trường, xúc tác, y sinh. Thí dụ, các hạt nano từ được dùng
để tách chiết các tế bào và các thực thể sinh học dựa trên tính chất từ của chúng [1].
Dưới ảnh hưởng của từ trường cục bộ, các hạt nano từ được sử dụng để làm tăng độ
tương phản ảnh cộng hưởng từ hạt nhân [1]. Đặc biệt, hiệu ứng đốt nóng cục bộ hay
còn gọi hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (Magnetic Inductive Heating – MIH) của vật
liệu hạt nano từ hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong nhiệt từ trị ung thư, nhả
thuốc bằng kích nhiệt từ, rã đông trong y sinh [1-8].
Đối với các vật liệu điện – từ, đốt nóng cảm ứng (Induction Heating – IH) là
hiệu ứng vật lý mà các vật liệu này trở thành các nguồn sinh nhiệt khi chúng được
đặt trong một từ trường xoay chiều. Đó là quá trình sinh nhiệt liên quan đến tổn hao
do hiệu ứng Joule và tổn hao liên quan đến tính chất từ của hạt nano [9]. Khi kích
thước của vật liệu cỡ nanomét, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng chủ yếu do các cơ chế
tổn hao liên quan đến tính chất như tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục, v…v. Hiệu ứng
IH trở thành hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH) đối với các vật liệu nano từ.
Trong các ứng dụng y sinh, các hạt nano từ thường được phân tán trong một
dung môi có khả năng hoà tan để tạo thành một chất lỏng hạt nano từ (chất lỏng
từ)[10]. Một chất hoạt động bề mặt sẽ bao phủ bên ngoài các hạt nano từ có tác
1


dụng ngăn cản việc kết tụ, và giữ cho chúng phân tán tốt trong nhiều năm [10]. Do
đó, một chất lỏng từ thường gồm lõi, vỏ và dung môi. Vật liệu được sử dụng để

làm lõi, vỏ hay dung môi trong chế tạo chất lỏng từ rất đa dạng. Các hạt nano từ
dạng kim loại, hợp kim, oxit kim loại hoặc các hỗn hợp oxit từ 2 thành phần có thể
được dùng làm lõi trong chất lỏng từ [5-7]. Lớp vỏ của các hạt này có thể là các
polyme, copolyme hoặc các oxit kim loại [5-7]. Quá trình tổng hợp chất lỏng từ
được thực hiện trong môi trường nước hay các dung môi khác như benzyl ether,
phenyl ether [5-7]. Có rất nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano từ khác nhau như
đồng kết tủa [11,12], sol-gel [13,14], thủy nhiệt [15,16] và phương pháp phân hủy
nhiệt [17,18] (tổng hợp trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ sôi cao). Tùy vào phương
pháp chế tạo và vật liệu sử dụng, hạt nano từ có chất lượng khác nhau về kích thước
và phân bố kích thước hạt, độ hoàn hảo tinh thể hay tính chất từ của chúng. Do đó,
việc nghiên cứu ảnh hưởng của một hay nhiều thông số của chất lỏng hạt nano từ
đến một hiệu ứng vật lý cụ thể gặp rất nhiều khó khăn trong thực nghiệm.
Ngoài ra, thực tiễn ứng dụng hiệu ứng MIH của chất lỏng hạt nano từ trong y
sinh phải đảm bảo một số yêu cầu như: lượng hạt nano từ đưa vào cơ thể sống phải
tối thiểu song vẫn đảm bảo lượng nhiệt sinh ra đủ lớn; chất lỏng từ ổn định trong
thời gian dài, không kết đám, và tương thích sinh học trong môi trường y sinh [6].
Để giải quyết các vấn đề này, các nghiên cứu tập trung vào hướng nâng cao công
suất tổn hao của chất lỏng hạt nano từ. Đến nay, các kết quả nghiên cứu cho thấy
đại lượng này phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý như kích thước hạt (D) – phân bố
kích thước hạt, từ độ bão hòa (MS), dị hướng từ (K), độ nhớt chất lỏng từ (η),…
cũng như các thông số của từ trường ngoài xoay chiều (Alternative Magnetic field –
AMF) (H và f) [19-23]. Vì có quá nhiều thông số ảnh hưởng đến công suất nên các
nghiên cứu thực nghiệm về tối ưu hóa hiệu ứng MIH gặp nhiều khó khăn. Vì thế,
việc nghiên cứu vai trò của các tham số vật lý lên các loại vật liệu khác nhau ở khía
cạnh lý thuyết không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn giúp cho quá trình thực
nghiệm được dễ dàng hơn vì nó chính là “thực nghiệm số” góp phần dự đoán được

2

kết quả thực nghiệm, từ đó có thể điều chỉnh các thông số thực nghiệm để tìm kiếm
các vật liệu phù hợp theo mong muốn của nhà nghiên cứu.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan đến vật liệu
nano từ được nhiều nhóm quan tâm như nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học vật
liệu, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý
của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội ... Tuy nhiên, chỉ
có nhóm của GS. TSKH. Nguyễn Xuân Phúc ở Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu
sâu về cơ chế vật lý và thực nghiệm liên quan đến hiệu ứng MIH, cụ thể là các
nghiên cứu tập trung vào cả hai khía cạnh: một là công nghệ chế tạo các hạt nano
kim loại (như Fe [24]); các hạt oxit kim loại Fe3O4 [25]; các hệ nano pha tạp
Mn0.3Zn0.7Fe2O4 [26], Mn0.5Zn0.5Fe2O4 [27], La0.7Sr0.3MnO3 [28, 29] hay các hệ
nano từ theo cấu trúc lõi – vỏ Fe3O4@ poly(styrene-co-acrylic acid) [30], Fe3O4@
poly (Nisopropylacrylamide-co-acrylic acid) [31] và hai là làm sáng tỏ các cơ chế
vật lý liên quan đến hiệu ứng MIH trên cả hai phương diện thực nghiệm và lý
thuyết. Đến nay, thành tựu về nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng MIH khá phong
phú và đa dạng. Các kết quả đã thể hiện được các ưu điểm của từng loại vật liệu
được dùng làm lõi hoặc chất mang của chất lỏng từ trong ứng dụng y sinh [1-5].
Bên cạnh đó, các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của tham số vật lý lên hiệu
ứng MIH đã góp phần đáng kể vào việc làm sáng tỏ cơ chế vật lý của hiệu ứng này.
Mặc dù vậy, các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của từng tham số vật lý đến
hiệu ứng MIH chưa được đề cập đến một cách chi tiết và hệ thống. Ngay cả các
nghiên cứu lý thuyết gần đây cũng chưa được phân tích kỹ vấn đề này. Do đó, hàng
loạt câu hỏi đặt ra trong quá trình nghiên cứu cần phải có câu trả lời thỏa đáng. Các
câu hỏi đó là: với kích thước hạt (tới hạn) nào trong từng vật liệu cụ thể, hiệu ứng
MIH là tối ưu. Cũng câu hỏi như thế cho từ độ, đường kính động học và quan trọng
hơn là dị hướng từ của hạt nano từ. Các chất lỏng từ chứa hạt nano có dị hướng từ
thấp và cao sẽ ảnh hưởng lên các tham số đặc trưng của hiệu ứng MIH như thế nào?
Nói cách khác, liệu trong hiệu ứng MIH, chúng ta có thể phân lớp vật liệu dựa trên
3

đặc tính này hay dựa trên các yếu tố vật lý khác. Ngoài ra, độ phân tán hạt hay độ
nhớt thay đổi ảnh hưởng như thế nào đến hiệu ứng MIH? Giải quyết tốt vấn đề này
sẽ góp phần tối ưu hóa hiệu ứng MIH trong từng vật liệu cụ thể và định hướng khả
năng ứng dụng của các hệ vật liệu này. Rõ ràng việc giải quyết bài toán này là một
thách thức không chỉ cho nhóm nghiên cứu của chúng tôi mà còn cho các nhóm
nghiên cứu khác trên thế giới.
Dựa trên tình hình thực tế và các điều kiện nghiên cứu như thiết bị thí
nghiệm, tài liệu tham khảo, khả năng cộng tác nghiên cứu với các nhóm nghiên cứu
trong và ngoài nước,… chúng tôi cho rằng việc nghiên cứu và giải quyết các vấn đề
nêu trên là hoàn toàn khả thi và có thể cho nhiều kết quả khả quan.
Với những lý do đã nêu, chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu của luận án
là: “Các đặc trưng đốt nóng cảm ứng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh
hưởng”.
Mục tiêu của luận án tập trung vào hai vấn đề sau: (i) Nghiên cứu các đặc
trưng đốt nóng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh hưởng lên chúng dựa
trên kỹ thuật tính toán bằng số; (ii) Từ các kết quả tính toán, thực hiện nghiên cứu
bằng thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vật lý lên đặc trưng hiệu
ứng MIH trên hai hệ mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 nhằm so sánh với các tính toán lý
thuyết thu được.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Các tính toán bằng số trình bày trong luận án góp phần định hướng và tối ưu
hóa các nghiên cứu thực nghiệm trong việc lựa chọn vật liệu, khống chế kích thước
trong vùng có công suất tổn hao lớn nhất. Mặt khác tìm kiếm các thông số ảnh
hưởng đến quá trình nhiệt từ trị góp phần quan trọng trong việc hiểu sâu các cơ chế
vật lý, đóng góp quan trọng vào việc định hướng ứng dụng các vật liệu nano từ
trong y sinh.
Các phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong Luận án: phương
pháp mô phỏng bằng số kết hợp với thực nghiệm để làm sáng tỏ ảnh hưởng của các

4


tham số vật lý và vật liệu lên hiệu ứng MIH. Các tính toán lý thuyết thực chất là
“thực nghiệm số” dựa trên phần mềm MATLAB. Các mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 sử
dụng trong luận án đều là mẫu ferit được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt tại
Phòng thí nghiệm Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các đặc trưng cấu trúc, hình thái và thành
phần của mẫu được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và ảnh hiển vi điện
tử quét phát xạ trường (FESEM). Các phép đo đường kính động học bằng kỹ thuật
tán xạ ánh sáng động (DLS), độ nhớt của chất lỏng từ bằng hệ máy Sine wave Vibro
Viscometer SV 10 tại Viện Khoa học Vật liệu. Các phép đo từ tính được thực hiện
trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) của Phòng thí nghiệm vật lý vật liệu từ và siêu dẫn,
phép đo đốt nóng cảm ứng từ thực hiện trên hệ đo dùng máy phát thương mại
Model: RDO-HFI, công suất 5 kW đặt tại Phòng Vật liệu Nano y sinh, thuộc Viện
Khoa học vật liệu.
Nội dung của luận án bao gồm ba phần: (i) Phần tổng quan về hiệu ứng đốt
nóng cảm ứng từ của chất lỏng hạt nano từ. (ii) Tiếp theo là các kết quả tính toán
công suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính. (iii) Cuối
cùng, các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên hai hệ hạt nano
từ CoFe2O4 và MnFe2O4.
Bố cục của luận án: Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung
cùng phần mở đầu và kết luận. Cụ thể như sau:
• Mở đầu
• Chương 1. Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng hạt nano từ
• Chương 2. Kết quả tính toán công suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô
hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính
• Chương 3. Thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán
• Kết luận

5


Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 06 công trình khoa học,
bao gồm 02 bài báo trên các tạp chí quốc tế (ISI), 03 bài báo trên các tạp chí trong
nước và 01 bài báo cáo tại Hội nghị quốc tế.

6