Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực vật liệu nano từ tính, hạt nano Niken ferrit (NiFe₂O₄ - NFO) được đánh giá cao nhờ các đặc tính vượt trội như độ từ bão hòa cao, tính siêu thuận từ khi kích thước hạt nhỏ hơn 20 nm, cùng khả năng cách nhiệt và cách điện tốt. Theo ước tính, NFO có nhiệt độ Curie khoảng 865 K, cao hơn nhiệt độ phòng, giúp vật liệu duy trì tính từ tính ổn định. Hạt nano NFO được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, y sinh và môi trường, đặc biệt trong y sinh với các ứng dụng như phát hiện bệnh sớm, dẫn truyền thuốc và tách chiết tế bào. Tuy nhiên, tính độc tế bào của hạt nano NFO vẫn là một thách thức lớn.

Để khắc phục nhược điểm này, việc bọc các hạt NFO bằng lớp vỏ silica (SiO₂) được xem là giải pháp hiệu quả nhằm giảm độc tính mà vẫn giữ nguyên tính chất từ tính. Silica có ưu điểm về tính ổn định hóa học, tương thích sinh học cao và khả năng chức năng hóa bề mặt. Phương pháp vi nhũ tương đảo được sử dụng phổ biến để chế tạo các tiểu cầu SiO₂ bọc hạt NFO do khả năng tạo ra vật liệu có kích thước đồng đều và phân tán tốt. Tuy nhiên, phương pháp truyền thống sử dụng dung môi dầu gây khó khăn trong quá trình lọc rửa và làm sạch.

Luận văn tập trung nghiên cứu và đề xuất phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến không dùng dung môi dầu mà thay thế bằng dung dịch cồn kết hợp với Trisodium Citrat (TSC) làm chất hoạt hóa bề mặt. Mục tiêu chính là chế tạo các tiểu cầu sub-micron SiO₂ bọc hạt nano NFO có kích thước đồng đều, phân tán tốt và giữ nguyên tính chất từ tính. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2020-2022, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng vật liệu nano từ tính trong lĩnh vực y sinh và công nghệ vật liệu tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc spinel đảo của Niken ferrit (NiFe₂O₄): NFO có cấu trúc tinh thể spinel lập phương với nhóm không gian Fd3m, trong đó Fe³⁺ phân bố ở cả vị trí tứ diện và bát diện, còn Ni²⁺ chỉ chiếm vị trí bát diện. Cấu trúc này quyết định tính chất từ tính và hóa học của vật liệu.

  • Tính siêu thuận từ của hạt nano NFO: Khi kích thước hạt nhỏ hơn 20 nm, NFO thể hiện tính siêu thuận từ với đường cong từ trễ gần như không có từ dư và lực kháng từ, giúp vật liệu dễ dàng phân tán và thu hồi bằng từ trường ngoài.

  • Phương pháp vi nhũ tương đảo: Phản ứng hóa học diễn ra trong hệ vi nhũ tương đảo (water-in-oil), tạo ra các tiểu cầu nano đồng đều. Giản đồ pha Winsor được sử dụng để xác định tỷ lệ pha dầu, nước và chất hoạt động bề mặt tối ưu nhằm tạo hệ vi nhũ tương ổn định.

  • Chức năng hóa lớp vỏ SiO₂: Lớp vỏ silica không chỉ giảm độc tính mà còn cho phép gắn các nhóm chức như -NH₂, -COOH để liên kết với phân tử sinh học, tăng khả năng ứng dụng trong tách chiết tế bào.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn và thiết bị hiện đại tại Trung tâm Khoa học Vật liệu và Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

  • Phương pháp chế tạo:

    • Chế tạo hạt nano NFO bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hai chất hoạt động bề mặt SDS và PVP nhằm tạo hạt có kích thước đồng đều.
    • Chế tạo tiểu cầu SiO₂ sub-micron bằng phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến, thay thế dung môi dầu bằng dung dịch cồn và sử dụng TSC làm chất hoạt hóa bề mặt.
    • Bọc hạt nano NFO bằng lớp vỏ SiO₂ thông qua phản ứng thủy phân TEOS và APTES trong hệ vi nhũ tương đảo cải tiến.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phổ hấp thụ UV-Vis để khảo sát quá trình tạo tiểu cầu và kích thước hạt.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.
    • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để khảo sát hình thái, kích thước và phân bố hạt.
    • Đo tính chất từ bằng hệ PPMS Evercool II để đánh giá tính siêu thuận từ và từ độ bão hòa.
    • Phép đo huỳnh quang tia X (XRF) để xác định độ tinh sạch của các tiểu cầu SiO₂.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực hiện kéo dài trong khoảng 2 năm (2020-2022), bao gồm giai đoạn chuẩn bị hóa chất, chế tạo mẫu, khảo sát tính chất và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ TSC đến tạo vi cầu và kích thước tiểu cầu SiO₂:

    • Cường độ ánh sáng truyền qua (T%) giảm từ 100% xuống còn khoảng 5% khi nồng độ TSC tăng từ 0 mM đến 50 mM, cho thấy sự hình thành các vi cầu chứa nước trong dung dịch cồn.
    • Kích thước tiểu cầu SiO₂ đồng đều nhất ở nồng độ TSC 5 mM với kích thước trung bình 247 ± 14 nm, trong khi ở 0 mM là 284 ± 61 nm và ở 25-50 mM xuất hiện phổ kích thước không đồng đều với các tiểu cầu lớn hơn 585-660 nm.

  2. Quá trình hình thành và phát triển tiểu cầu SiO₂ theo thời gian:

    • Kích thước tiểu cầu tăng từ 181,7 nm (45 phút) lên 236 nm (225 phút), tốc độ tăng khoảng 0,5 nm/phút.
    • Sau 120 phút, kích thước tiểu cầu ổn định, phù hợp với giai đoạn phát triển mầm và kết tụ tiểu cầu.
    • Cường độ hấp thụ UV-Vis tăng tương ứng với sự phát triển kích thước tiểu cầu, cho thấy phép đo hấp thụ có thể dùng để theo dõi quá trình này.

  3. Độ tinh sạch của tiểu cầu SiO₂:

    • Kết quả đo huỳnh quang tia X (XRF) cho thấy độ tinh sạch của các tiểu cầu SiO₂ đạt trên 99,5%, với lượng tạp chất kim loại nặng chỉ chiếm khoảng 0,7% khối lượng mẫu.
    • Phân tích FTIR xác nhận sự hiện diện của liên kết Si–O–Si đặc trưng, đồng thời lượng TSC còn sót lại trong mẫu rất thấp (~0,5% khối lượng).

  4. Tính chất từ của các tiểu cầu NFO/SiO₂:

    • Các tiểu cầu bọc hạt NFO giữ được tính siêu thuận từ với đường cong từ trễ gần như không có từ dư và lực kháng từ, tương tự hạt NFO nguyên bản.
    • Lớp vỏ SiO₂ giúp giảm độc tính và tăng tính ổn định hóa học của hạt nano NFO.

Thảo luận kết quả

Sự giảm cường độ ánh sáng truyền qua khi tăng nồng độ TSC được giải thích bằng mô hình vi cầu TSC chứa nước trong dung dịch cồn, trong đó lớp vỏ COO⁻ bao quanh phân tử nước tạo thành chất hoạt động bề mặt tự nhiên. Điều này tương tự cơ chế vi nhũ tương đảo truyền thống nhưng cải tiến bằng cách thay thế dung môi dầu bằng cồn giúp dễ dàng lọc rửa và làm sạch mẫu.

Kích thước tiểu cầu SiO₂ đồng đều nhất ở nồng độ TSC 5 mM do TSC đóng vai trò như chất hoạt động bề mặt ổn định, hạn chế sự kết tụ quá mức. Ở nồng độ cao hơn, hiện tượng kết tụ và phát triển Oswald làm xuất hiện phổ kích thước không đồng đều. Quá trình phát triển tiểu cầu theo thời gian phù hợp với mô hình tạo mầm và phát triển nội tại, được xác nhận bằng ảnh SEM và phổ hấp thụ.

Độ tinh sạch cao của tiểu cầu SiO₂ chứng minh hiệu quả của phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến trong việc tạo ra vật liệu chất lượng cao, phù hợp cho ứng dụng sinh học. Tính siêu thuận từ được giữ nguyên sau khi bọc lớp SiO₂ cho thấy lớp vỏ không ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất từ, đồng thời giảm độc tính, mở rộng khả năng ứng dụng trong y sinh như tách chiết tế bào và dẫn truyền thuốc.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp sol-gel hoặc Stober, phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến cho phép kiểm soát kích thước tiểu cầu tốt hơn, đồng thời khắc phục nhược điểm về lọc rửa và làm sạch vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến trong sản xuất vật liệu nano từ tính:

    • Động từ hành động: Triển khai
    • Target metric: Tăng độ đồng đều kích thước tiểu cầu lên trên 90%
    • Timeline: 6-12 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu nano và công nghiệp sản xuất vật liệu từ tính.

  2. Phát triển các sản phẩm y sinh dựa trên tiểu cầu NFO/SiO₂:

    • Động từ hành động: Nghiên cứu và thử nghiệm
    • Target metric: Giảm độc tính tế bào xuống dưới 10% so với hạt NFO nguyên bản
    • Timeline: 12-18 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các trung tâm nghiên cứu y sinh và công ty dược phẩm.

  3. Tối ưu hóa quy trình lọc rửa và làm sạch vật liệu nano:

    • Động từ hành động: Cải tiến
    • Target metric: Giảm thời gian lọc rửa 30% so với phương pháp truyền thống
    • Timeline: 3-6 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

  4. Mở rộng nghiên cứu chức năng hóa bề mặt lớp vỏ SiO₂:

    • Động từ hành động: Khám phá và phát triển
    • Target metric: Tăng khả năng liên kết sinh học lên 50%
    • Timeline: 12 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu vật liệu sinh học và công nghệ nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và vật lý chất rắn:

    • Lợi ích: Hiểu rõ về phương pháp chế tạo hạt nano NFO và tiểu cầu SiO₂, cũng như cải tiến phương pháp vi nhũ tương đảo.
    • Use case: Áp dụng kỹ thuật chế tạo và phân tích vật liệu trong nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia công nghệ y sinh và dược phẩm:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ bọc hạt nano giảm độc tính, tăng hiệu quả ứng dụng trong tách chiết tế bào và dẫn truyền thuốc.
    • Use case: Phát triển các sản phẩm y sinh dựa trên vật liệu nano từ tính an toàn và hiệu quả.

  3. Kỹ sư công nghiệp sản xuất vật liệu từ tính:

    • Lợi ích: Áp dụng quy trình chế tạo tiểu cầu sub-micron đồng đều, cải tiến quy trình sản xuất vật liệu từ tính.
    • Use case: Tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý chất rắn, vật liệu và công nghệ nano:

    • Lợi ích: Học hỏi quy trình nghiên cứu khoa học bài bản, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến khác gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp cải tiến thay thế dung môi dầu bằng dung dịch cồn kết hợp với Trisodium Citrat (TSC) làm chất hoạt hóa bề mặt, giúp dễ dàng lọc rửa và làm sạch vật liệu, đồng thời vẫn giữ được ưu điểm tạo tiểu cầu có kích thước đồng đều.

  2. Tại sao cần bọc hạt nano Niken ferrit bằng lớp SiO₂?
    Lớp vỏ SiO₂ giúp giảm độc tính của hạt nano NFO, tăng tính ổn định hóa học và cho phép chức năng hóa bề mặt để liên kết với các phân tử sinh học, mở rộng ứng dụng trong y sinh.

  3. Kích thước tiểu cầu SiO₂ ảnh hưởng như thế nào đến tính chất vật liệu?
    Kích thước đồng đều và nhỏ giúp tăng khả năng phân tán, giảm kết tụ, đồng thời giữ nguyên tính siêu thuận từ của hạt NFO bên trong, rất quan trọng cho các ứng dụng sinh học và điện tử.

  4. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp SDS và PVP có ưu điểm gì?
    Kết hợp hai chất hoạt động bề mặt SDS và PVP giúp kiểm soát kích thước hạt nano NFO đồng đều hơn, giảm hiện tượng kết tụ và tạo ra hạt có cấu trúc tinh thể ổn định.

  5. Làm thế nào để đánh giá độ tinh sạch của tiểu cầu SiO₂?
    Độ tinh sạch được đánh giá bằng phép đo huỳnh quang tia X (XRF), kết quả cho thấy độ tinh sạch trên 99,5%, đảm bảo chất lượng vật liệu phù hợp cho ứng dụng sinh học.

Kết luận

  • Đã đề xuất và thực hiện thành công phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến sử dụng dung dịch cồn và TSC, tạo ra các tiểu cầu SiO₂ sub-micron có kích thước đồng đều và phân tán tốt.
  • Chế tạo hạt nano Niken ferrit bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp SDS và PVP cho hạt có kích thước đồng đều, giữ nguyên tính siêu thuận từ.
  • Lớp vỏ SiO₂ bọc hạt NFO giúp giảm độc tính, tăng tính ổn định và giữ nguyên tính chất từ tính của vật liệu.
  • Các tiểu cầu SiO₂ đạt độ tinh sạch trên 99,5%, phù hợp cho ứng dụng trong y sinh và công nghệ vật liệu.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình sản xuất, phát triển chức năng hóa bề mặt và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano từ tính được khuyến khích áp dụng phương pháp vi nhũ tương đảo cải tiến để phát triển các sản phẩm vật liệu chất lượng cao, an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng công nghệ và y sinh trong tương lai.