Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt nano từ tính bằng phương pháp điện hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các hạt nano từ tính được chế tạo theo hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất là phương pháp từ trên xuống nghĩa là các vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình thành các hạt nano từ các nguyên tử. Luận văn tiến hành nghiên cứu chế tạo hạt nano từ tính bằng phương pháp điện hóa.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt nano từ tính bằng phương pháp điện hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Hoàng Thị Nụ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: 84 40 30 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tuấn Tú Hà Nội - 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Hoàng Thị Nụ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: 84 40 13 007 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tuấn Tú Hà Nội - 2019
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano ....................................................................... 3 1.2. Vật liệu từ cứng .......................................................................................... 3 1.3. Hạt nano từ tính .......................................................................................... 4 1.3.1. Giới thiệu hạt nano từ tính ...................................................................... 4 1.3.2. Phân loại hạt nano từ tính........................................................................ 4 1.3.3. Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ ....................................................... 7 1.3.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính ................................................................ 8 1.4. Vật liệu CoNiP ........................................................................................... 9 1.5. Dây nano nhiều đoạn ................................................................................ 13 1.5.1. Dây nano vàng ....................................................................................... 13 1.5.2. Dây nano nhiều đoạn có vàng. .............................................................. 13 1.5.3. Những ứng dụng của dây nano nhiều đoạn........................................... 14 1.6. Chất hoạt hóa trong chế tạo vật liệu nano từ tính bằng phương pháp điện hóa siêu âm ...................................................................................................... 15 CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................ 17 2.1. Phương pháp điện hóa siêu âm ................................................................ 17 2.1.1. Hệ điện hóa siêu âm .............................................................................. 17 2.1.2. Chế tạo hạt CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm...................... 19 2.1.2.1. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc cloruakhông có chất hoạt hóa ................................................................................................................... 19 2.1.2.2. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc clorua có chất hoạt hóa19 2.1.2.3. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc axetat có chất hoạt hóa19 2.1.2.4. Chế tạo dây nano từ tính nhiều đoạn CoNiP/Au................................ 20 2.1.2.5. Chức năng hóa Amine lên dây nano CoNiP/Au ................................ 20 2.2. Phương pháp Vol – Ampe vòng (CV) ..................................................... 21 2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................................... 23 2.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................................................ 25 2.5. Từ kế mẫu rung (VSM) ............................................................................ 26 Trang3
2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD) .............................................................................. 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 30 3.1. Chế tạo được các hạt nano CoP bằng phương pháp điện hóa siêu âm .... 30 3.1.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ..................................................... 30 3.1.2.Kết quả đo hiển vi điện tử quét ( SEM ) ................................................ 32 3.1.3. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ( Xray ) ....................................................... 33 3.1.4. Kết quả đo tính chất từ ( VSM ) của các hạt CoP ................................ 35 3.2. Chế tạo được các hạt nano CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm35 3.2.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ...................................................... 35 3.2.2. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 36 3.2.3. Kết quả đo tán sắc năng lượng tia X (EDS) .......................................... 38 3.2.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 40 3.2.5. Kết quả đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) ........................... 40 3.2.5.1. Các dây nano nhiều đoạn CoNiP / Au ............................................... 43 3.2.5.2. Thành phần hóa học. .......................................................................... 44 3.2.5.3. Tính chất từ của dây CoNiP/Au ......................................................... 45 3.3. Khảo sát đặc trưng của dây nano CoNiP/Au có gắn 4-ATP ................. 45 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 49 Trang4
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng .................... 3 Hình 1.2. Ảnh TEM của cụm hạt nano từ tính vói lớp vỏ silica [10] .................. 6 Hình 1.3. Hạt nano Co có vỏ graphene [11] ........................................................ 7 Hình 1.4. Sơ đồ mối quan hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt ..................... 7 Hình 1.5. Cấu trúc lục giác xếp chặt tinh thể CoNiP .......................................... 10 Hình 1.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ dày của màng CoNiP............ 11 Hình 1.7. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một hàm của độ dày ..................................................................................... 12 Hình 1.8. (a) ảnh TEM độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử .......................... 12 Hình 1.9: Đồ thị của sự phân tách His-tagged proteins từ untagged proteins (theo đường a) và phân tách kháng thêt thành poly-His từ các kháng thể khác (theo đường b) sử dụng dây nano nhiều đoạn Au/Ni/Au ................................... 14 Hình 1.10: Chức năng hóa dây nano Au–Ni. 1. Dây nano được ủ với AEDP. Đoạn Ni được liên kết với nhóm carboxylate. 2. Plasmids được liên kết tĩnh điện với nhóm amin của AEDP. 3. Cố định hóa bề mặt plasmid được gắn chặt bởi CaCl2. 4. Đoạn vàng được liên kết chọn lọc với hodamine-taged chuyển giao. 15 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả hệ điện hóa siêu âm......................................................... 18 Hình 2.2. Nguồn cấp sóng siêu âm ..................................................................... 18 Hình 2.3. Mô tả quy trình gắn 4-ATP lên dây nano từ tính CoNiP/Au .............. 21 Hình 2.4. Mô hình tổng quát thí nghiệm Vol – Ampe ........................................ 21 Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng – thế trong quá trình khử ................... 22 Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng – thế trong quét vòng ......................... 23 Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét ..................................................................... 24 Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo từ kế mẫu rung .............................................................. 28 Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo XRD.............................................................................. 29 Hình 3.1. Đặc trưng CV của dung dịch chứa 0.2 M CoCl2.6H2O ...................... 30 Hình 3.2. Đặc trưng CV của CoP ........................................................................ 31 Hình 3.3. Hình ảnh SEM của các hạt CoP ở điều kiện thứ nhất ......................... 32 Hình 3.4. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ở điều kiện 2 ......................... 32 Hình 3.5. Kết quả hiển vi điện tử quét ( SEM ) của các hạt CoP ở thế cung cấp 5V ........................................................................................................................ 33 Trang5
Hình 3.6. Kết quả đo nhiễu xạ tia X.................................................................... 34 Hình 3.7. Đường cong từ trễ của các hạt CoP..................................................... 35 Hình 3.8. Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân................................... 36 Hình 3.9. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua không có chất hoạt hóa ............................................................................................................... 37 Hình 3.10. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc axetat có chất hoạt hóa ....................................................................................................................... 37 Hình 3.11. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua có chất hoạt hóa ....................................................................................................................... 38 Hình 3.12. Phổ tán sắc năng lượng của mẫu CoNiP ........................................... 39 Hình 3.13. Phổ XRD của mẫu CoNiP chế tạo bằng muối clorua không có chất hoạt hóa ............................................................................................................... 40 Hình 3.14. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua không có chất hoạt hóa ........................................................................................ 41 Hình 3.15. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc axetat có chất hoạt hóa........................................................................................................ 41 Hình 3.16. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua có chất hoạt hóa........................................................................................................ 42 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo kích thước của các hạt nano CoNiP .................................................................................................................. 43 Hình 3.18. Dây nano CoNiP / Au phân tán sau khi loại bỏ màng ...................... 44 Hình 3.19. Phân tích phổ EDS của dây nano CoNiP / Au .................................. 44 Hình 3.20. Đường cong trễ của mảng dây nano CoNiP / Au ............................. 45 Hình 3.21. Phổ hấp thụ của dây nano CoNiP/Au và CoNiP/Au gắn 4-ATP ..... 46 Hình 3.22. Phổ raman của dây nano CoNiP/Au và CoNiP/Au-4 ATP............... 47 Trang6
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Giá trị ước tính của kích thước đơn đômen cho các hạt nano hình cầu không có dị hướng [15] ......................................................................................... 8 Bảng 2. Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano CoFe2O4 vào nồng độ SDS .... 16 Bảng 3. Thành phần nguyên tử của mẫu CoNiP chế tạo bởi các tiền chất khác nhau ..................................................................................................................... 39 Trang7
MỞ ĐẦU Trong suốt nhiều thế kỷ qua, khoa học đã không ngừng phát triển và chế tạo ra những vật liệu có kích thước bé và có thể đạt đến kích thước nano. Các nhà khoa học đã nghiên cứu ra nhiều tính chất của các vật liệu có kích thước nano và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ghi từ, xét nghiệm sinh học, cảm biến,... Những vật liệu có kích thước ít nhất của một trong ba chiều ở cấp độ nano mét được gọi là vật liệu nano. Vật liệu nano có các tính chất khác biệt so với vật liệu khối như khả năng thay đổi màu sắc, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ nóng chảy, tính siêu thuận từ... Khi kích thước vật liệu giảm xuống thì tỷ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên. Các nguyên tử trên bề mặt và các nguyên tử bên trong vật liệu có số phối vị, năng lượng và khả năng tương tác môi trường khác nhau nên có tính chất khác hẳn nhau. Khi kích thước vật liệu giảm thì các tính chất liên quan đến nguyên tử hay bề mặt hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt gia tăng. Ở vật liệu nano, tỷ số giữa nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu rất lớn, do đó hiệu ứng bề mặt chưa được thể hiện rõ. Các hạt nano từ tính được chế tạo theo hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất là phương pháp từ trên xuống nghĩa là các vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình thành các hạt nano từ các nguyên tử. Phương pháp thứ nhất bao gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền thành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai là phương pháp từ dưới lên được phân thành hai loại đó là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay, lắng đọng điện hóa,…) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi,…). Trong phương pháp thứ hai này, các hạt nano được chế tạo từ các dung dịch lỏng bằng cách điện phân dung dịch hoặc lắng đọng điện hóa. Việc chế tạo các hạt nano từ tính từ các dung dịch sẽ thuận lợi hơn vì dễ chế tạo và giá thành vật liệu rẻ. Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu chế tạo hạt nano từ cứng CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm. Luận văn gồm 3 phần chính: Chương I – Tổng quan 1
Chương II – Phương pháp thực nghiệm Chương III – Kết quả và thảo luận 2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano Vật liệu từ tính có cấu trúc nano thường là vật liệu đa pha, trong đó đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được quy định bởi tương tác trao đổi. Các tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp từ tính khác nhau, tiếp xúc nhau hoặc phân tách nhau một khoảng vài nanomet là nhân tố quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý [1]. Nhờ các phương pháp khác nhau mà người ta chế tạo ra một số cấu trúc vật liệu nano như: chuỗi hạt nano, băng nano, dây nano, ống nano, màng mỏng nano… Các vật liệu nano từ tính được quan tâm bởi mối liên hệ giữa các đặc trưng vi cấu trúc và các tính chất từ. Các đặc trưng đó bao gồm kích thước hạt, sự phân bố, tính không đồng nhất hóa học, các sai lệch mạng tinh thể, kết cấu tinh thể học [1]. 1.2. Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên 150 Oe), chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao và bền vững. Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng Lực kháng từ (Hc) là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn 3
trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn [6, 7]. Tích năng lượng từ cực đại (BH)max cho biết năng lượng từ cực đại chứa trong vật liệu. Vì khi vật liệu từ cứng được đặt trong từ trường ngoài đã tự nạp năng lượng và tàng trữ phần lớn năng lượng đó khi trường ngoài triệt tiêu. Năng lượng này được giải phóng nếu vật liệu đó chịu tác dụng của trường khử từ [6, 7]. Cảm ứng từ dư (Br) là thông số đặc trưng của vật liệu từ, nó là cảm ứng từ còn lại sau khi từ hóa mẫu đến giá trị bão hòa và đưa mẫu ra khỏi từ trường. Đối với nam châm từ cứng, giá trị Br càng lớn càng tốt [6, 7]. Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó vật liệu mất tính sắt từ, trở thành vật liệu thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao [6, 7]. 1.3. Hạt nano từ tính 1.3.1. Giới thiệu hạt nano từ tính Hạt nano từ tính là các hạt nhỏ bị biến đổi tính chất dưới tác dụng của từ trường. Các hạt nano từ tính thường bao gồm hai thành phần: một vật liệu từ tính thường là kim loại như Fe, Ni, Co,… và một thành phần hóa học khác. Các hạt nano từ tính thường có kích thước từ 1 đến 100 nm, các hạt lớn hơn có đường kính từ 0,5 đến 500 μm. Các cụm hạt nano từ tính bao gồm các hạt riêng lẻ, chúng liên kết với nhau tạo thành các hạt nano từ tính mới. Các hạt nano từ tính đang là mối quan tâm của rất nhiều nhà khoa học vì những đặc tính liên quan đến cấu trúc nano và tính chất từ của chúng. Nếu kích thước các hạt nano từ giảm (từ vài chục đến vài trăm nm) thì tính chất từ của chúng sẽ thay đổi. 1.3.2. Phân loại hạt nano từ tính Theo các nhà khoa học, vật liệu từ có thể chia thành các loại sau: 4
- Hệ gồm các hạt bị cô lập với cấu trúc nano, khi bỏ qua tương tác giữa các hạt, từ tính của chúng được phân bố đều cho các hạt cô lập theo chiều giảm của kích thước hạt [9]. - Vật liệu khối có cấu trúc nano, loại này chiếm phần lớn thể tích của mẫu tập trung ở giữa hạt và bề mặt các hạt [9]. - Hệ gồm các hạt cổ điển, lớp vỏ trên các hạt nano từ tính có thể được làm từ một vật liệu khác nhằm giảm tương tác giữa bề mặt các hạt [9]. - Hệ gồm các hạt cơ bản, tính chất từ của vật liệu nanocomposite được xác định bởi nhóm các hạt nano từ tính cũng như đặc tính cơ bản của vật liệu [97]. Hạt nano từ tính có các dạng điển hình như sau: - Oxide: ferrites Các hạt nano Ferrite hay các hạt nano oxit sắt là các hạt nano từ tính được khám phá nhiều nhất cho đến nay. Khi các hạt này nhỏ hơn 128 nanomet chúng trở thành hạt siêu thuận từ, điều này ngăn cản sự tự kết tụ do chúng chỉ chịu tác động của từ trường ngoài [10]. Momen từ của chúng có thể tăng lên rất nhiều bằng cách phân chia các hạt nano siêu thuận từ riêng lẻ thành các cụm hạt nano siêu thuận từ. Khi không có tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của chúng sẽ giảm về không giống như các hạt oxit chưa từ hóa. Bề mặt của các hạt nano ferrite thường bị biến đổi bởi các chất hoạt hóa bề mặt, silica, silicones hoặc các dẫn xuất axit phosphoric để tăng tính ổn định của chúng trong dung dịch [10]. - Ferrite với lớp vỏ: Bề mặt của các hạt nano từ tính thường không có liên kết cộng hóa trị mạnh với các phân từ chức năng hóa. Tuy nhiên có thể cải thiện điều này bằng cách phủ một lớp silica lên bề mặt của chúng. Lớp vỏ silica dễ dàng thay đổi với các nhóm chức năng bề mặt khác nhau thông qua liên kết cộng hóa trị giữa các phân tử organo-sillane và vỏ silica [13]. 5
Hình 1.2. Ảnh TEM của cụm hạt nano từ tính vói lớp vỏ silica [10] Các cụm hạt nano Ferrite có phân bố kích thước hẹp bao gồm các hạt nano oxit siêu thuận từ được phủ một lớp silica lên bề mặt có lợi thế như: độ ổn định hóa học cao hơn (rất quan trọng cho các ứng dụng y sinh), phân bố kích thước hẹp (rất quan trọng cho ứng dụng y sinh), độ ổn định cao hơn vì chúng không tự kết tụ, dễ điều chỉnh kích thước hơn, các đặc tính siêu thuận từ được giữ lại. - Kim loại: Các hạt nano kim loại có lợi cho một số ứng dụng kỹ thuật do momen từ cao hơn trong khi các oxit có lợi cho các ứng dụng y sinh. Điều này có ý nghĩa rằng trong cùng một thời điểm, các hạt nano kim loại có thể được chế tạo nhỏ hơn so với các hạt oxit của chúng. Mặt khác, các hạt nano kim loại có nhược điểm lớn là phản ứng với các tác nhân oxy hóa ở nhiều mức độ khác nhau. Điều này làm cho việc xử lý chúng trở nên khó khăn và cho phép các phản ứng phụ không mong muốn khiến chúng không phù hợp với các ứng dụng y sinh. Sự hình kết tụ cho các hạt kim loại cũng khó hơn. - Kim loại với lớp vỏ: Lõi kim loại của hạt nano từ tính có thể bị thụ động bởi quá trình oxy hóa nhẹ, chất hoạt hóa bề mặt, polyme và kim loại quý. Trong môi trường oxy, các hạt nano Co tạo thành một lớp CoO chống sắt từ trên bề mặt của hạt nano Co. Những ưu điểm so với các hạt nano ferrite là: từ hóa cao hơn, độ ổn định cao hơn trong dung dịch axit và bazơ cũng như dung môi hữu cơ 6
Hình 1.3. Hạt nano Co có vỏ graphene 1.3.3. Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ Đômen từ là những vùng trong chất sắt từ mà trong đó các đômen từ hoàn toàn song song với nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ. Tuy nhiên, không phải sự sắp xếp song song này tồn tại trên toàn bộ vật sắt từ mà có thể bị chia thành nhiều đômen khác nhau tạo nên cấu trúc đômen của vật liệu từ nói chung hay các hạt nano từ nói riêng. Cấu trúc này được quy định bởi: hình dạng, cấu trúc hạt, kích thước, sự định hướng,... và chi phối tính chất từ vi mô của các hạt nano từ tính. [14, 15] Hình 1.4. Sơ đồ mối quan hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm xuống dưới kích thước tới hạn DC (Hình 1.4), xuất hiện một cấu trúc đômen mới mà mỗi hạt sẽ là một đômen, được gọi là cấu trúc đơn đômen. Kích thước tới hạn này phụ thuộc bởi các yếu tố: từ độ tự phát, hằng số dị hướng từ tinh thể, mật độ năng lượng tương tác hoặc hằng số trao 7
đổi. Lực kháng từ liên quan đến sự hình thành đơn đômen và phụ thuộc vào kích thước của hạt. [15] Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước của các hạt đơn đômen được biểu diễn theo công thức: 𝑫𝒔 𝟑/𝟐 𝑯𝑪 = 𝑯𝑪𝟎 [𝟏 − ( ) ] 𝒅 trong đó: • DS là kích thước siêu thuận từ • d là kích thước hạt • HC0 là lực kháng từ tại nhiệt độ T gần 0K Có thể thấy lực kháng từ của các hạt giảm khi thước hạt giảm. Đường kính đơn đômen cho một số hạt nano dạng hình cầu được liệt kê trong Bảng 1. Bảng 1. Giá trị ước tính của kích thước đơn đômen cho các hạt nano hình cầu không có dị hướng [15] Vật liệu DC (nm) Vật liệu DC (nm) Co 70 Fe3O4 128 Fe 14 γ – Fe2O3 166 Ni 55 Khi kích thước các hạt tiếp tục giảm xuống dưới kích thước siêu thuận từ (DS) thì năng lượng dao động nhiệt (kBT) lớn hơn năng lượng dị hướng (∆E = KV, K: hằng số dị hướng từ tinh thể, V: thể tích hạt). Lúc này, năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ định hướng song song của các mômen từ làm các mômen từ của hạt trở nên hỗn loạn như trong chất thuận từ. Đường cong từ hóa của các hạt siêu thuận từ có đặc điểm là từ độ bão hòa cao và không có hiện tượng từ trễ (HC = Mr = 0). 1.3.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính - Chẩn đoán và điều trị trong y tế: Các hạt nano từ tính đã được sử dụng trong điều trị ung thư bằng cách gia nhiệt từ tính [12] trong đó một từ trường xen kẽ (AMF) được sử dụng để làm 8
nóng các hạt nano. Để hạt nano từ tính đạt được đủ nhiệt, AMF thường có tần số trong khoảng 100-500 kHz, nghiên cứu đã được thực hiện ở tần số thấp hơn cũng như tần số cao tới 10 MHz, với biên độ của trường thường trong khoảng 8- 16kAm−1 [12]. Các phôi từ là yếu tố tăng trưởng biểu bì (EGF), axit folic, aptamer,… có thể được gắn vào bề mặt hạt nano từ tính với việc sử dụng các hóa chất khác nhau. Điều này cho phép nhắm mục tiêu của các hạt nano từ tính đến các mô hoặc tế bào cụ thể. [13] Điều này được sử dụng trong nghiên cứu ung thư để nhắm mục tiêu và điều trị các khối u kết hợp với tăng nhiệt từ tính hoặc thuốc điều trị ung thư bằng hạt nano. Mặc dù đã có những nỗ lực nghiên cứu, tuy nhiên, sự kết tụ các hạt nano bên trong các khối u ung thư không tối ưu, ngay cả với các phối tử. Willmus đã tiến hành phân tích về việc đưa hạt nano cho các khối u và kết luận rằng lượng thuốc tiêm trung bình đạt đến khối u rắn chỉ là 0,7%. Việc kết tụ một lượng lớn các hạt nano bên trong các khối u được cho là trở ngại lớn nhất đối với vật liệu nano nói chung. Tiêm trực tiếp được sử dụng trong một số trường hợp, tiêm tĩnh mạch thường được dùng nhiều nhất để có được sự phân phối tốt các hạt trong toàn bộ khối u. Các hạt nano từ tính có một lợi thế khác biệt ở chỗ chúng có thể tích lũy ở các vùng mong muốn thông qua phân phối từ tính, mặc dù kỹ thuật này vẫn cần phát triển hơn nữa để đạt được sự phân phối tối ưu cho các khối u rắn. - Xét nghiệm miễn dịch từ: Xét nghiệm miễn dịch từ tính (MIA) là một loại xét nghiệm miễn dịch chẩn đoán mới sử dụng các sợi nano từ tính làm nhãn thay cho các loại thông thường, enzyme, đồng vị phóng xạ hoặc huỳnh quang. Xét nghiệm này liên quan đến sự gắn kết cụ thể của một kháng thể với kháng nguyên của nó, trong đó một nhãn từ tính được liên kết với một yếu tố của cặp. Sự hiện diện của các nanobead từ tính đó được phát hiện bởi một đầu đọc từ tính (từ kế) đo sự thay đổi từ trường gây ra bởi các hạt. Tín hiệu được đo bằng từ kế tỷ lệ thuận với lượng chất phân tích (virus, độc tố, vi khuẩn, chất đánh dấu tim, v.v.) trong mẫu ban đầu. 1.4. Vật liệu CoNiP 9
Các tính chất từ của các hạt nano từ tính được xác định không chỉ bởi kích thước hạt mà còn cả cấu trúc tinh thể chính xác và sự hiện diện của các khuyết tật. Các kim loại chuyển tiếp chẳng hạn như Ni, Fe và Co có từ tính mạnh. Mặc dù các hạt nano đơn sắc từ tính được ưa thích, tuy nhiên các ứng dụng của chúng chủ yếu bị cản trở bởi quá trình xử lý khó khăn. Đối với các hạt nano kim loại chuyển tiếp, các liên kết ổn định là cực kỳ khó thu được do các tương tác từ tính mạnh của chúng dẫn đến sự kết dính không kiểm soát được của các hạt. Do đó, quy trình lựa chọn kích thước là cần thiết cho nhiều ứng dụng, và việc này không thể được thực hiện dễ dàng. Ngoài ra, các hạt nano từ tính nhạy cảm với không khí và việc xử lý chúng rất phức tạp. Về vấn đề này, việc sử dụng các hạt nano oxit kim loại có từ tính yếu hơn đã được nhắc nhở trong nhiều ứng dụng. Để khắc phục vấn đề này, các hạt nano từ tính được phủ một lớp bảo vệ mỏng đã được nghiên cứu cho một số ứng dụng. Hình 1.5. Cấu trúc lục giác xếp chặt tinh thể CoNiP Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển màng mỏng từ cứng CoNiP vì các ứng dụng tiềm năng trong ghi từ mật độ cao và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Phương pháp lắng đọng điện hóa có nhiều ưu điểm so với quy trình chân không: chi phí thấp, tăng quy mô và bảo trì dễ dàng, nhiệt độ vận hành thấp và khả năng cấu trúc tốt. Năm 1977, Iwasaki và Nakamura đã chỉ ra tiềm năng của màng dị hướng từ vuông góc để ghi mật độ cao [19]. Kể từ đó, đã có 10
một số cuộc điều tra về sự lắng đọng điện của màng CoNiP cho các ứng dụng ghi từ vuông góc. Nicholson và Khan đã kiểm tra sự phụ thuộc của quá trình tạo mầm, cấu trúc vi mô và tính chất từ của CoNiP điện phân vào dung dịch pH [16]. Matsuda đã thay đổi độ pH, tỷ lệ ion kim loại và nhiệt độ hoạt động của bể mạ sulfat và thu được lực kháng từ lớn, cỡ trên 2000 (Oe) đối với CoNiP điện phân. Được xếp vào loại vật liệu từ cứng, màng mỏng CoNiP được ứng dụng nhiều trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các cảm biến và trong lưu trữ thông tin. Màng mỏng CoNiP có tính dị hướng vuông góc cao, lực kháng từ lớn cỡ 3000 Oe [9]. Đối với màng mỏng sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ dày màng là rất mạnh. Hình 1.6 thể hiện sự phụ thuộc của lực kháng từ với từ trường đo vuông góc và song song vào độ dày của màng CoNiP. Hình 1.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ dày của màng CoNiP Lực kháng từ vuông góc của màng tăng rất nhanh khi độ dày tăng từ 5 nm đến 30 nm và lực kháng từ lớn nhất cỡ 3000 Oe khi độ dày màng là 30 nm. Lực kháng từ của các màng dày hơn 30 nm là tương đối ổn định Hình 1.7 thể hiện ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cắt từng phần của màng CoNiP. 11
Hình 1.7. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một hàm của độ dày Trên hình1.7 (b) cấu tạo màng CoNiP trên đường có màu đen, hình 1.7(a) từ lớp Cr đến lớp CoNiP được chỉ ra. Hình 1.7 (c) cho thấy nồng độ Co giảm khi độ dày tăng. Hình 1.8. (a) ảnh TEM độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử Hình1.8 (b) đã thể hiện cấu trúc màng CoNiP với độ dày 30 nm. Cấu trúc tinh thể của màng CoNiP phát triển từ lớp lót Cu được quan sát rõ trên hình 1.8 (a). 12
Đối với hạt nano CoNiP, nhiều nghiên cứu đã chứng minh đây là hạt nano từ cứng, bền và không bị oxi hóa trong không khí. Mặt khác, các ứng dụng của hạt nano ngày nay đang rất phổ biến. Vì vậy thay vì chế tạo màng mỏng CoNiP, em lựa chọn chế tạo hạt nano CoNiP bằng phương pháp . 1.5. Dây nano nhiều đoạn Nhằm ứng dụng trong y sinh, các hạt nano CoNiP được kết hợp với các dây nano vàng để tạo thành một dây nano nhiều đoạn CoNiP/Au. Các đoạn vật liệu từ tính thể hiện các tính chất từ như hạt nano CoNiP vừa nghiên cứu. 1.5.1. Dây nano vàng Dây nano vàng có những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như điện tử nano, quang học và cảm biến. Một cảm biến sinh học sử dụng các dây nano vàng thẳng hàng trong một chất nền lỏng vĩ mô được đề xuất sử dụng cho phép xác định độ nhạy và chọn lọc các phần tử sinh học như cholesterol trong máu. Các dây nano vàng xếp thẳng hàng được biến đổi với enzim riêng, oxidaza cholesterol và esterase cholesterol sử dụng đồng hóa trị có tác dụng như các điện cực làm việc. Việc xác định cholesterol được tiến hành qua sự hút bám của các enzim riêng biệt ấy [4, 20]. Dây nano vàng sau khi được tổng hợp được sử dụng để kết hợp kháng thể testosterone lên trên bề mặt thiết bị dò. Sự có mặt của dây vàng cung cấp vi môi trường sinh học tương thích cho phân tử sinh học, khuếch đại lớn một lượng phân tử cố định trên bề mặt điện cực, và cải thiện độ nhạy của cảm biến kháng nguyên [4, 20, 22, 23]. 1.5.2. Dây nano nhiều đoạn có vàng. Dây nano nhiều đoạn đóng vai trò nền tảng trong việc hướng tới các ứng dụng quan trọng trong phân tích sinh học, cảm biến sinh học, phân tách tế bào và phân phối gen. Dây nano nhiều đoạn với các đoạn dây từ tính và không từ tính (cụ thể là vàng) sở hữu những đồng thời những tính chất từ đối với phần dây từ và tính chất của dây vàng. Chính vì vậy, các dây nano nhiều đoạn sẽ có 13