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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2019
Luận án được hoàn thành tại:
Phòng Vật lý vật liệu từ - siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. Nguyễn Xuân Phúc
PGS. TS. Phạm Thanh Phong
Phản biện 1: ...............................................
Phản biện 2: ...............................................
Phản biện 3: ...............................................
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện tại Học Viện Khoa học
và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi ... giờ ...
ngày ... tháng ... năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Hà Nội, Thư viện Học viện
Khoa học và Công nghệ, Thư viện Viện Khoa học vật liệu, Thư viện Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
1
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.
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 điện-từ trường xoay chiều. Đối với
các vật liệu từ, hiệu ứng IH trở thành hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH); quá trình sinh nhiệt khi đó liên
quan đến tổn hao do hiệu ứng Joule và tổn hao liên quan đến tính chất từ của hạt nano. 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. 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). Một chất hoạt
động bề mặt sẽ bao phủ bên ngoài các hạt nano từ có tác dụng ngăn cản việc kết tụ, và giữ cho chúng phân
tán tốt trong nhiều năm. 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. Lớp vỏ của
các hạt này có thể là các polyme, copolyme hoặc các oxit kim loại. Quá trình tổng hợp chất lỏng từ được
thực hiện trong môi trường nước hay các dung môi khác như benzyl ether, phenyl ether. Có rất nhiều phương
pháp tổng hợp hạt nano từ khác nhau như đồng kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt và phương pháp phân hủy nhiệt
(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. 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 (H và f). 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 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.
2
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), các hạt oxit kim loại Fe3O4, các hệ nano pha tạp Mn0.3Zn0.7Fe2O4,
Mn0.5Zn0.5Fe2O4, La0.7Sr0.3MnO3 hay các hệ nano từ theo cấu trúc lõi – vỏ Fe3O4@ poly(styrene-co-acrylic
acid), Fe3O4@ poly (Nisopropylacrylamide-co-acrylic acid) 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. 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 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.
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:
Áp dụng lý thuyết đáp ứng tuyến tính (LRT) tìm thấy sự cạnh tranh đóng góp giữa tổn hao hồi phục
Brown và Néel đối với hiệu ứng MIH giúp làm nổi bật vai trò của dị hướng từ đối với tối ưu hóa hiệu ứng
này.
Các phương pháp nghiên cứu sau 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 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.
3
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
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.
CHƯƠNG 1
HIỆU ỨNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG TỪ CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ
1.1. Tổng quan về hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ
1.1.1. Hạt nano từ và hạt siêu thuận từ: những đặc tính cơ bản
1.1.1.1. Đô men của các hạt nano từ
Mô men từ không hoàn toàn trật tự thống nhất trong toàn thể tích của mẫu mà chỉ tồn tại trật tự trong
từng vùng có kích thước xác định. Các vùng này được gọi là đô men từ. Cùng với sự giảm kích thước của
khối vật liệu, kích thước của đô men sẽ giảm và cấu trúc đô men cũng như độ rộng của vách đô men sẽ thay
đổi. Và, khi kích thước nhỏ hơn một kích thước tới hạn nào đó, sự tồn tại vách đô men trở nên không thuận
lợi về năng lượng, các hạt lúc này trở thành đơn đô men. Giới hạn đơn đô men phụ thuộc vào từng loại vật
liệu từ khác nhau.
1.1.1.2. Trạng thái siêu thuận từ
Dưới kích thước hạt đặc trưng, kích thích nhiệt gây ra sự thăng giáng nhanh của mô men từ và quá
trình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, tương tự như của một spin riêng lẻ trong vật liệu thuận từ. Toàn bộ hệ
spin có thể bị quay đồng bộ và trạng thái từ của tập hợp các hạt từ kích thước rất nhỏ, không tương tác sẽ
được gọi là siêu thuận từ.
Nhiệt độ bắt đầu chuyển từ trạng thái spin bị khóa ngẫu nhiên sang trạng thái siêu thuận từ được gọi
là nhiệt độ khóa TB (Blocking temperature). Nhiệt độ khóa TB phụ thuộc vào dị hướng từ, kích thước hạt và
thời gian đặc trưng của phép đo (
τ
m). Với một vật liệu cho trước, TB phụ thuộc vào kích thước hạt và
τ
m. Như
vậy, kích thước đơn đô men cực đại được xác định bởi sự cân bằng của các dạng năng lượng, còn ngưỡng
siêu thuận từ phụ thuộc vào khoảng thời gian đo.
1.1.1.3. Sự phụ thuộc của dị hướng từ theo kích thước hạt
Năng lượng dị hướng từ là năng lượng cần thiết do từ trường ngoài cung cấp để chuyển dời momen
từ hướng từ hóa dễ sang hướng từ hóa khó. Đó chính là năng lượng dự trữ trong tinh thể từ tính nếu vectơ từ
độ MS không định hướng theo hướng từ hóa dễ. Năng lượng này gắn với dị hướng tinh thể và có tính đối
xứng tinh thể gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể.