Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm tổng hợp được hạt nano từ Fe3O4 bằng hai phương pháp đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt. Bọc hạt nano từ Fe3O4 bằng chitosan biến tính và chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt nano từ Fe3O4 đã được bọc bằng chitosan biến tính. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN DUY QUANG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN DUY QUANG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Vân Anh THÁI NGUYÊN - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu chính là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác. Tác giả luận văn Nguyễn Duy Quang a
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Vân Anh - người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn cô đã giúp em lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải đáp các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài… Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Hóa Học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Các thầy, các cô đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai sau này. Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình thân yêu - những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường qua. Luận văn được hỗ trợ kinh phí từ đề tài NCCB trong KHTN&KT được Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia tài trợ, mã số 103.02-2012.71. Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2017 Học Viên Nguyễn Duy Quang b
MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................... a Lời cảm ơn ........................................................................................................ b Mục lục .............................................................................................................. c Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt ......................................................... e Danh mục các bảng ............................................................................................ f Danh mục các hình ............................................................................................ g MỞ ĐẦU............................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ .................... 3 1.1. Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu nano từ Fe3O4 .................................... 3 1.2. Tính chất siêu thuận từ của vật liệu nano Fe3O4 ........................................ 5 1.2.1. Dị hướng từ ............................................................................................ 7 1.2.2. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt .......... 8 1.2.3. Trạng thái siêu thuận từ và thuyết hồi phục Néel ................................. 10 1.2.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ (Hc) vào kích thước hạt ...................... 13 1.3. Ứng dụng hạt nano từ làm tác nhân tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân .................................................................... 14 1.3.1. Nguyên tắc chụp ảnh cộng hưởng từ .................................................... 14 1.3.2. Tác nhân tăng độ tương phản MRI ....................................................... 17 1.3.3. Tính chất của hạt nano từ ứng dụng làm tác nhân tương phản cho MRI ........ 18 1.3.4. Chất lỏng từ cho chụp ảnh cộng hưởng từ MRI ................................... 19 2.1. Hóa chất và dụng cụ ................................................................................. 22 2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 ....................................................... 22 2.2.1. Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa .............. 22 2.2.2. Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt ................. 23 2.2.3. Chế tạo chất lỏng từ .............................................................................. 25 2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu ........................................................ 26 c
2.3.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................................... 26 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử ................................................................. 26 2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT - IR) ......................................................... 27 2.3.4. Phương pháp xác định tính chất từ........................................................ 27 2.3.5. Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) ............................................. 27 3.1. Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano Fe3O4 điều chế bằng phương đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt ................. 28 3.1.1. Cấu trúc của vật liệu.............................................................................. 28 3.1.2. Hình thái học và kích thước vật liệu ..................................................... 30 3.1.3. Tính chất từ của các vật liệu Fe3O4 ....................................................... 32 3.2. Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính .......................................................... 34 3.2.1. Các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu .................................................. 34 3.2.2. Hình thái học của vật liệu nano từ Fe3O4 bọc chitosan biến tính ......... 36 3.2.3. Tính chất từ của vật liệu bọc chitosan biến tính ................................... 37 3.2.4. Ứng dụng làm tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ................................................................................................. 38 KẾT LUẬN...................................................................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 41 d
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Aex : Hệ số tương tác trao đổi C : Nhiệt dung riêng CS : Chitosan biến tính dSP : Kích thước giới hạn siêu thuận từ EA : Năng lượng dị hướng tinh thể Ec : Năng lượng dị hướng hình dạng FESEM : Kính hiển vi điện tử quét (Field Emission Scanning Electron Microscope) FT-IR : Phổ hấp thụ hồng ngoại Hc : Lực kháng từ Hd : Trường khử từ Keff : Hằng số dị huớng từ tinh thể MNPs : Hạt nano từ tính Ms : Momen từ bão hòa N : Thừa số khử từ rc : Bán kính đơn đômen tới hạn TB : Nhiệt độ khóa TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) V : Thể tích hạt VSM : Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer) XRD : Nhiễu xạ tia X e
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tóm tắt các loại polyme tự nhiên và tổng hợp để bọc hạt nano từ...........21 Bảng 3.1. Khoảng cách dhkl, thông số mạng và kích thước của vật liệu Fe3O4 ........29 f
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4 ...................................................... 4 Hình 1.2. Đômen (domain) từ trong vật liệu khối................................................ 5 Hình 1.3. Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực kháng từ Hci của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) và vật liệu siêu thuận từ (đường gạch màu đỏ - - -) [4] ............................................................. 6 Hình 1.4. Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4 ........................... 7 Hình 1.5. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau 5 nm (M5), 10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm (M150) ................................. 9 Hình 1.6. Một số đặc tính từ của vật liệu từ: sắt từ (FM), siêu thuận từ (SPM) và thuận từ (PM) .................................................................................... 11 Hình 1.7. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt Fe3O4 ................. 13 Hình 1.8. Sơ đồ biểu diễn vectơ từ tính tạo bởi kích thích MR ......................... 15 Hình 1.9. Ảnh hưởng của tác nhân tăng độ tương phản T2 đến ảnh MRI : (A) Cấu trúc hạt nano từ với lớp bảo vệ cRGD peptit. Ảnh MRI của u trong chuột khi (B) không có hạt từ và (C)có hạt từ .................................. 17 Hình 1.10. Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước nano đến từ tính và tín hiệu MR cảm ứng. (a) Ảnh TEM của tinh thể nano Fe3O4 với các kích thước 4,6,9 và12 nm. (b) Thời gian hồi phục T2 của nano tinh thể trong dung dịch nước tại 1,5 Testla..................................................................... 18 Hình 2.1. Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa . 23 Hình 2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano từ bằng phương pháp thủy nhiệt .......... 24 Hình 2.3. Quy trình bọc hạt nano Fe3O4 bằng CS.............................................. 25 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa (ký hiệu Fe3O4 DKT) và phương pháp thủy nhiệt (ký hiệu Fe3O4 TN) .................................................................. 28 Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng kết tủa và (B) phương pháp thủy nhiệt tại 160oC trong thời gian 2 giờ .... 31 Hình 3.3. Ảnh TEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng kết tủa, (B) phương pháp thủy nhiệt ................................................. 31 g
Hình 3.4. Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa (đường màu đen) và phương pháp thủy nhiệt (đường màu đỏ) ..................................................................................................... 32 Hình 3.5. Giản đồ XRD của vật liệu nano từ Fe3O4 và vật liệu bọc chitosan.... 34 Hình 3.6. Giản đồ EDX của vật liệu Fe3O4 bọc vật liệu chitosan biến tính ...... 35 Hình 3.7. Phổ FT - IR của (a) chitosan biến tính (CS), (b) Fe3O4và Fe3O4 bọc chitosan biến tính (Fe3O4-CS) .......................................................... 36 Hình 3.8. Ảnh SEM các mẫu hạt nano từ bọc chitosan (A) trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồngkết tủa và (B) trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ........................................................... 36 Hình 3.9. Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi bọc bằng chitosan (trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt) .. 37 Hình 3.10. Ảnh MRI trên thỏ chụp theo chế độ T2: trước khi tiêm (A) và (B) sau khi tiêm 90 phút ................................................................................ 39 h
MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu kích thước nano ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhờ những đặc tính đặc biệt của vật liệu ở kích thước lượng tử và theo đó bề mặt của vật liệu phát triển đặc biệt tạo ra hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Hạt nano từ tính (MNPs) là một lĩnh vực quan trọng của hóa học chất rắn và hiện nay đang được nghiên cứu, đặc biệt là tính chất từ và ứng dụng của MNPs trong y-sinh học. Nổi bật nhất của MNPs là hạt nano oxit sắt từ, vật liệu cơ bản cho hầu hết các hệ thống ferrofluidic. Trong thập kỷ qua, trọng tâm của nghiên cứu khoa học hạt nano từ tính trên nền sắt tăng đáng kể, nhờ các ứng dụng đa dạng, từ công nghiệp (chất lỏng từ, từ thể lỏng cảm biến, vv…) đến lĩnh vực y-sinh học (từ hình ảnh cộng hưởng (MRI), tăng thân nhiệt, phân phối thuốc, điều trị ung thư vv…). Tính chất của các hạt từ tính là khả năng từ hóa làm cho nó thích hợp cho sử dụng trong rất nhiều hướng khác nhau. Khả năng từ hóa mạnh mẽ liên quan đến kích thước hạt và hình dạng, và đó cũng là yếu tố ảnh hưởng nhất tới tính chất hóa học và ổn định nhiệt, bề mặt vật liệu. Bản chất của bề mặt là một trong những chìa khóa quan trọng của các thuộc tính và các ứng dụng của các hạt nano từ tính. Do đó mà người ta sử dụng chất hoạt động bề mặt để ổn định các hạt nano từ hay chính xác hơn là người ta phải bọc hạt nano từ nhằm tăng khả năng tương thích sinh học với cơ thể sống. Đối với vật liệu từ, ngoài các tính chất đặc trưng cho từng loại như từ độ bão hòa Ms, dị hướng từ tinh thể, cấu trúc tinh thể, thì các tính chất ngoại như hình dạng và kích thước tinh thể, sự sắp xếp của các tinh thể trong vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ. Hiệu ứng kích thước xảy ra đối với vật liệu từ tính khi mà kích thước vật liệu nhỏ hơn kích thước đặc trưng. Với vật liệu từ, kích thước đặc trưng là độ dày vách đômen, độ dài tương tác trao đổi, quãng đường tán xạ spin của điện tử, giới hạn siêu thuận từ. Một trong các hướng được quan tâm hiện nay là ứng dụng của vật liệu nano trong y học với mục đích chuẩn đoán như việc sử dụng hạt nano từ trong phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) trong đó hạt nano từ đóng vai trò làm tăng độ tương phản. Trên cơ sở đó, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI”. 1
Trong số các hệ vật liệu nano từ các hạt nano Fe3O4 có nhiều ưu điểm hơn các hệ vật liệu khác do chúng có tính tương thích sinh học tốt, dễ điều khiển kích thước hạt và có khả năng nâng cao từ độ bão hòa đáp ứng cho các yêu cầu ứng dụng trong y sinh. Do vậy, hệ vật liệu này đã được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận văn. Mục tiêu của luận văn: - Tổng hợp được hạt nano từ Fe3O4 bằng hai phương pháp đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt. - Bọc hạt nano từ Fe3O4 bằng chitosan biến tính và chế tạo chất lỏng từ trên nền hạt nano từ Fe3O4 đã được bọc bằng chitosan biến tính. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng của hạt nano từ chế tạo được. - Thử nghiệm mẫu vật liệu từ Fe3O4 chế tạo được trong chụp cộng hưởng từ MRI. Nội dung: Luận văn gồm 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu nano từ trên nền sắt, đặc biệt là Fe3O4 như cấu trúc và các tính chất cơ bản của hạt nano từ Fe3O4, các loại lớp bảo vệ hạt nano sử dụng trong y sinh và nguyên lý chung của phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ MRI và vai trò của chất làm tăng độ tương phản đến phương pháp trong kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh. Chương 2 là phần thực nghiệm bao gồm các các quy trình tổng hợp vật liệu từ và chất lỏng từ trên nền hạt Fe3O4 cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu. Chương 3 là phần kết quả tổng hợp vật liệu Fe3O4 và phân tích về cấu trúc, hình thái học và các tính chất từ của vật liệu cũng thử nghiệm khả năng làm tăng cường độ tương phản ảnh cộng hưởng từ của mẫu chất lỏng từ chế tạo được. 2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ Khoa học nano nghiên cứu vật chất có kích thước cỡ nano met. Như ta đã biết, kích thước hạt càng nhỏ, số hạt trên bề mặt càng nhiều, dẫn tới tỉ lệ bề mặt so với thể tích càng lớn. Tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào cả kích thước của vật liệu. So với các vật liệu khối, vật liệu có cấu trúc nano có nhiều đặc tính khác thường như tính chất điện, tính chất quang và tính chất từ, do đó vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, dược phẩm đồng thời nhiều ngành khoa học mới đã ra đời liên quan đến công nghệ nano như cơ học nano, công nghệ sinh học nano,… Đặc trưng của vật liệu nano là có ít nhất một chiều có kích thước nano, được chế tạo bằng phương pháp phân tán (top-down) hoặc phương pháp ngưng tụ (bottom-up). Một trong các loại hạt nano được ứng dụng nhiều trong y sinh, đó là hạt nano từ. Vật liệu này có tính chất, đặc biệt là từ tính khác nhiều so với vật liệu khối. Để hiểu rõ hơn về tính chất của hạt nano từ dưới đây sẽ trình bày một cách khái quát về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu. 1.1. Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu nano từ Fe3O4 Trong các loại oxit sắt từ, Fe3O4 (magnetite ICSD: 75627) là hợp chất được sử dụng phổ biến [1]. Vật liệu này được xếp vào nhóm ferrit với công thức tổng quát MO.Fe2O3, trong đó M là một kim loại hóa trị 2. Cấu trúc tinh thể của nhóm này là ferrite spinel, có hai phân mạng từ không tương đương và tương tác giữa các phân mạng là phản sắt từ. Trong vật liệu này, các ion oxy xếp thành mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt (thông số mạng a = 8.396 Å) và có các hổng thuộc hai loại: hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy và hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy. Tùy thuộc vị trí của các ion M2+ và Fe3+ chiếm chỗ tại các hổng, ta có hai loại cấu trúc spinel khác nhau của vật liệu. Đối với vật liệu Fe3O4, một nửa toàn bộ số ion Fe2+ và một nửa số ion Fe3+ sẽ chiếm chỗ ở các hổng nhóm B, một nửa số 3
ion Fe3+ còn lại sẽ chiếm vị trí hổng nhóm A (Error! Reference source not found.). C ấu trúc này được gọi là cấu trúc spinel đảo [2]. Mô hình ion này có thể được mô tả như sau: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]BO42- Ion Oxy Fe3+ ở vị trí tứ diện Fe3+ và Fe2+ ở vị trí bát diện Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4[2] Chính cấu trúc spinel đảo này quyết định tính chất từ của vật liệu Fe3O4, mômen từ của các ion kim loại trong hai nhóm A và B phân bố phản song song. Do ion Fe3+ có mặt trong cả hổng A và B với số lượng bằng nhau nên mômen từ của vật liệu chỉ do Fe2+ quyết định. Do vậy, mỗi phân tử Fe3O4 sẽ có mômen từ tổng cộng là 4B (1B = 9,274.10-24 J/T), từ độ bão hòa Ms là 92 (emu/g) ở 20oC và hằng số dị hướng K1= -1,1.10-5erg/cm [2]. Đối với hạt có kích thước nano, cấu trúc vật liệu Fe3O4 không thay đổi so với vật liệu khối. Sự giảm kích thước đến cỡ nanomet dẫn đến sự giảm về thông số mạng ao so với giá trị của vật liệu khối. Điều này được lý giải bằng sự oxy hóa của ion Fe2+ trên bề mặt hạt do sự tăng về tỉ số giữa các nguyên tử và ion trên bề mặt hạt so với thể tích, d ẫn đến thay đổi tỷ lệ sắp xếp của các loại ion trong hổng tứ diện và hổng bát diện [3]. Thực vậy, oxit sắt từ dễ bị oxy hóa chậm trong môi trường oxy [1]. Điểm khác biệt nữa của vật liệu nano so với vật liệu khối đó là khi kích thước thu nhỏ tương đương với kích thước đặc trưng của một số tính chất thì hạt nano các tính chất đó sẽ thay đổi khác biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano. Đối với vật liệu sắt từ Fe3O4, khi ở kích thước nhỏ vật liệu thể hiện tính chất siêu thuận từ. 4
1.2. Tính chất siêu thuận từ của vật liệu nano Fe3O4 Tính chất từ là thông số đặc biệt trong thiết kế và tổng hợp các hạt nano siêu thuận từ, trong đó phương pháp tổng hợp từ và điều kiện phản ứng là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt. Từ tính của vật liệu có nguồn gốc từ spin của electron (momen từ spin) và chuyển động của orbital (moment từ orbital) của electron quanh hạt nhân. Mômen từ tổng cộng của một nguyên tử là tổng của tất cả các mômen spin và orbital của nguyên tử đó. Ion Fe3+ có năm electron độc thân và Fe2+ có bốn electron độc thân ở orbital 3d nên các ion này có mômen từ rất mạnh. Khi các tinh thể được hình thành từ các ion này, chúng có thể ở dạng sắt từ, phản sắt từ hoặc ferri từ. Ở trạng thái thuận từ, tất cả các mômen từ được định hướng ngẫu nhiên, nên mômen từ tổng cộng của tinh thể là bằng không. Tinh thể sẽ có mômen từ tổng cộng khác không khi được áp từ trường ngoài và trở về không khi từ trường ngoài dừng tác động. Trong vật liệu sắt từ thì các mômen từ định hướng cùng chiều mà không cần từ trường ngoài, còn trong tinh thể từ ferri, có hai loại nguyên tử với mômen từ khác nhau được định hướng song song nhưng ngược chiều nhau. Vật liệu sắt từ Fe3O4 thuộc loại này. Độ từ hóa M, là đại lượng moment từ thực, tính cho một đơn vị thể tích vật liệu, định hướng theo tác động của trường ngoài. Giá trị của M thường nhỏ hơn giá trị mômen từ lý tưởng do sự tồn tại các đômen (domain) từ tính khác nhau trong tinh thể (Hình 1.2). Hình 1.2. Đômen (domain) từ trong vật liệu khối 5
Trong mỗi đômen, các mômen từ được định hướng lý tướng. Tuy nhiên, mômen từ tổng cộng của mỗi đomen lại không định hướng song song với nhau, làm giảm độ từ hóa của vật liệu khối. Khi áp một từ trường ngoài H lên tinh thể của vật liệu từ, chúng sẽ có môment từ hóa M [4] Hình 1.3. Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực kháng từ Hci của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) và vật liệu siêu thuận từ (đường gạch màu đỏ - - -) [4] Giá trị M sẽ tăng theo độ tăng của cường độ từ trường ngoài (H) áp vào tinh thể, cho đến khi độ từ hóa đạt giá trị cực đại Ms (từ độ bão hòa). Khi từ trường ngoài dừng tác dụng vào vật liệu khối, trong vật liệu vẫn còn một độ từ tính nhất định, được gọi là từ dư Mz. Hiện tượng này được gọi là từ trễ. Để độ từ hóa này về giá trị không, cần một từ trường Hc (lực từ kháng) có chiều ngược lại. Giản đồ biểu diễn độ từ hóa thay đổi theo từ trường bên ngoài được gọi là đường cong từ hóa, Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ [4]. 6
1.2.1. Dị hướng từ [5] Ở trạng thái trật tự từ tại một nhiệt độ xác định, mỗi một vật liệu khối có momen từ bão hòa (Ms) với giá trị không đổi. Tuy nhiên, dạng đường cong từ hóa M theo H cũng như đường cong từ trễ phụ thuộc vào các tính chất nội tại của vật liệu cũng như các yếu tố bên ngoài tác dụng lên vật liệu.Trong đó, năng lượng dị hướng từ tinh thể và năng lượng dị hướng hình dạng đóng góp phần lớn vào tính dị hướng từ của vật liệu. a) Dị hướng từ tinh thể Dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến tính đối xứng tinh thể nhưng về thực chất, đây là dạng năng lượng có được do tương tác giữa mômen từ spin và moment từ orbital và do sự liên kết giữa điện tử và sự sắp xếp của các nguyên tử trong mạng tinh thể. Kết quả của tương tác này khiến khi vật liệu được từ hóa, mômen từ dễ xuất hiện theo một hướng tinh thể nhất định và hướng tinh thể này được gọi là trục dễ, ngược lại hướng tinh thể nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng trụ dễ gọi là trục khó từ hóa. Một khi mômen từ được xuất hiện dưới tác động của từ trường từ hóa có cuờng độ đủ lớn, để xoay mômen từ về hướng vuông góc với trục dễ cần phải tốn một năng lượng, và năng lượng đó đặc trưng cho năng lượng dị hướng tinh thể. Hình 1.4 mô tả đường cong từ hóa của các tinh thể Fe3O4 theo các phương khác nhau. Hình 1.4. Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4 [2] 7
Theo phương từ hóa dễ [111], từ độ nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa ngay khi từ trường đặt vào là nhỏ (cỡ vài trăm Oe). Theo phương từ hóa khó [100], để đạt trạng thái bão hòa cần từ trường lớn hơn. b) Dị hướng từ hình dạng Dị hướng từ hình dạng được định nghĩa là sự khác nhau về năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của vật liệu từ. Dị hướng này phụ thuộc nhiều vào kích thước và hình dạng của vật liệu. Khi vật thể có kích thước bị giới hạn, các cực từ tự do được cảm ứng ở hai đầu sẽ gây ra một từ trường ngược hướng và có độ lớn tỉ lệ với moment từ xuất hiện trong mẫu. Từ trường này được gọi là trường khử từ Hd. Trường khử từ có xu hướng chống lại sự từ hóa của trường ngoài [6]. 1.2.2. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt Các hạt nano từ có tính chất độc đáo do kích thước nhỏ (dẫn đến tỉ lệ bề mặt /thể tích rất lớn và số lượng nguyên tử trên bề mặt lớn đáng kể). Khi kích thước của vật liệu nhỏ hơn một kích thước tới hạn nào đó, sự hình thành vách đô men sẽ trở nên không thuận lợi về năng lượng và lúc đó các hạt trở thành đơn đômen. Trong hạt đơn đômen các mômen từ được sắp xếp theo cùng một hướng [6]. Với các vật liệu từ thông dụng, kích thước đơn đômen tới hạn có giá trị trong khoảng 20 - 800 nm tùy thuộc vào độ lớn của từ độ tự phát, năng lượng dị hướng từ và năng lượng tương tác trao đổi. Đường kính tới hạn của hạt hình cầu đơn đô men trong trường hợp dị hướng từ nhỏ lớn hơn so với trường hợp dị hướng từ lớn, kích thước đơn đômen của các hạt nano Fe3O4 có giá trị từ 80 -130 nm [7], . Tuy nhiên, giá trị này phụ thuộc vào một số yếu tố như độ hoàn hảo của hạt, vào nhiệt độ và độ từ dư của vật liệu [8]. Như đã đề cập đến ở trên, khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét thì số nguyên tử trên bề mặt hạt lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ. Hiệu ứng bề mặt làm giảm mômen từ bão hòa và là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt nano Fe3O4. 8
Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệm trong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ trên bề mặt hạt [9]. Sự suy giảm mô men từ bão hòa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano được cho là có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với mẫu khối [10]. Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng. Trong khi đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt làm mô men từ giảm. Sự xếp nghiêng một cách hỗn loạn của các spin bề mặt tạo nên các tương tác phản sắt từ cạnh tranh giữa các phân mạng đã làm giảmtừ độ bão hòa từ của hạt [11]. Đặc biệt, khi kích thước hạt giảm dưới 10 nm, từ độ bão hòa sẽ giảm đột ngột và độ giảm sẽ tỉ lệ với kích thước của hạt [12], do hiệu ứng bề mặt (Hình 1.5) Hình 1.5. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau 5 nm (M5), 10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm (M150) [13] Từ Hình 1.5, ta thấy, độ bão hòa từ giảm đáng kể khi kích thước hạt nano Fe3O4 giảm từ 150 nm xuống 5 nm đến 150 nm[13]. Mẫu kích thước 150 nm có mô 9
men từ bão hòa 75 emu/g tương ứng với 80 % giá trị mô men từ của mẫu khối, trong khi đó mẫu kích thước 5 nm giá trị mô men từ bão hòa tương ứng với 30 % mẫu khối. 1.2.3. Trạng thái siêu thuận từ và thuyết hồi phục Néel Dị hướng tinh thể đã giữ cho môment từ của hạt nano từ định hướng theo phương xác định, thường theo dọc theo một hoặc nhiều trục. Giá trị năng lượng hàng rào thế năng KV bị tách thành hai trạng thái từ hóa ngược nhau, khi năng lượng nhiệt kBT cung cấp cho hệ đủ lớn và theo đó mômen từ có thể đảo chiều do năng lượng nhiệt đã phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ. Hay nói cách khác, dưới một kích thước hạt đặc trưng nào đó thì kích thích nhiệt sẽ gây ra sự thăng giáng nhanh của mômen từ và quá trình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, lúc này mômen từ tương tự như một spin riêng lẻ trong vật liệu thuận từ. Toàn bộ hệ spin có thể bị quay đồng bộ và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng nhiệt dưới tác dụng của từ trường ngoài. Lúc này, hạt nano có mômen từ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ. Hiện tượng này được gọi là siêu thuận từ [14]. Vật liệu siêu thuận từ có đường cong từ trễ vô cùng nhỏ, độ từ dư thấp (về lý thuyết là bằng không) và độ nhạy từ lớn khi so với kích thước của vật liệu (Hình 1.3).. Thời gian hồi phục N được đưa ra bởi Néel [15] 𝐾𝑉 (1.1) 𝜏𝑁 = 𝜏𝑜 𝑒𝑥𝑝 ( ) 𝑘𝐵 𝑇 Trong đó, o là thời gian đặc trưng của vật liệu, còn gọi là thời gian thử nghiệm ( 10-10 s), KV là hàng rào năng lượng tương ứng với mômen từ đảo, kB là hằng số Boltzman, và T là nhiệt độ tuyệt đối. Khi tần số của từ trường ngoài lớn hơn 1/N, các hạt từ dường như bị khóa ở trạng thái ban đầu và không thể đáp ứng với sự thay đổi của từ trường ngoài. Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ khóa TB. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ khóa, các hạn nano từ trở nên trật tự và mất tính chất siêu thuận từ [16]. 10