Chương 1: Tổng quan về dây nano Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 3: Kết quả và thảo luận. CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO Trong suốt hai thập kỷ qua, dây nano liên tục thu hút sự quan tâm của giới khoa học bởi những tính chất mới mẻ của chúng khi kích thước của chúng được giảm xuống kích thước nano. Rất nhiều ứng dụng của dây nano được nhìn thấy trong cấu trúc của sensor hoặc trong các mạch điện tử (bộ nhớ) [11, 12].
Các dây nano thường ở dạng vật liệu rắn, vật liệu dạng thanh với đường kính từ 5 nm đến 500 nm và hầu hết được hình thành từ kim loại, hợp kim hoặc oxit kim loại. Dây nano từ Sự hình thành của các nguyên tố từ và hợp chất (Fe, Co, Ni, FeNi, CoNi, FeCoNi…) bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong các màng có lỗ nano cho phép chúng ta thu được mảng dây nano từ, chấm nano từ, ống nano từ và vòng nano từ với độ sắp xếp cao. Những ứng dụng của các hạt nano từ đang ngày càng tăng trong sinh học và y học như ứng dụng truyền tính trạng ép buộc, chữa bệnh ung thư, và cảm biến sinh học. Hầu hết các hạt nano từ được đưa vào ứng dụng có hình cầu, gồm một lõi từ và một lớp cho phép sự chức năng hóa phối tử hoạt hóa sinh học để thực hiện các mục đích ứng dụng trong y sinh.
Từ khi các ứng dụng của hạt nano từ ngày càng phổ biến trong y học và công nghệ sinh học, một thách thức được đặt ra là làm sao để các hạt nano từ thực hiện được nhiều chức năng khác nhau. Và vì vậy, một dạng mới của hạt nano từ với tiềm năng ứng dụng đáng kể trong sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực từ sinh học là dây nano từ. Dây nano có cấu trúc không đẳng hướng với tỉ số xếp chặt rất cao. Nhờ sở hữu những tính chất độc nhất và khá khác biệt so với chính chúng ở vật liệu sắt từ khối, dây nano đơn đoạn và dây nano nhiều đoạn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, quang học, từ, điện nhiệt, các thiết bị cảm ứng.
Đặc biệt, cấu trúc và thành phần của một dây nano có thể được điều chỉnh chính xác dọc theo trục của dây và đồng thời dẫn đến sự điều khiển chính xác tính chất từ tùy theo những ứng dụng y sinh cụ thể [13]. Hầu hết các dây nano từ ứng dụng trong y sinh là hình trụ kim loại được lắng đọng điện hóa trong các khuôn có lỗ nano. Bán kính của chúng có thể được điều 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chỉnh trong khoảng từ 5 nm đến 500 nm và chiều dài của chúng có thể lên tới 60 µm. Rất nhiều các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, trường kháng từ, trường bão hòa, từ độ bão hòa, từ dư và trục trễ từ hóa có thể được biến đổi bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn dây từ/không từ trong dây nano nhiều đoạn.
Hình 1 minh họa dị hướng hình dạng vốn có của dây nano và các dây nano được chức năng hóa [13]. Hình 1: Các loại dây nano. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về các loại dây nano cơ bản, tính chất và ứng dụng của dây nano từ. Phân loại dây nano từ 1.
Mảng dây nano và dây nano rời rạc Trong hầu hết các ứng dụng, các dây nano có thể ở dạng mảng hoặc rời rạc. Hình 2(a) là ví dụ về mảng dây nano Ni với đường kính khoảng 200nm. Hình 2(b) là các dây Co riêng rẽ với đường kính khoảng 70 nm. Trong những ứng dụng sinh học, dây nano rời thường được treo lơ lửng trong các dung dịch [13].
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2:(a) Mảng dây nano Ni với đường kính khoảng 200nm; (b) Các dây nano Co rời rạc với đường kính khoảng 70 nm. Dây nano đơn đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Dây nano đơn đoạn là các dây hình thành từ một chất duy nhất. Các dây nano được tổng hợp từ ít nhất hai chất được gọi là dây nano nhiều đoạn. Hình 3(a) là một phần của dây nano Nickel đơn đoạn.
Một dây nano đơn đoạn có thể được làm từ một nguyên tố kim loại, một hợp chất hoặc một oxit. Hình 3(b) là một phần của dây nano hai đoạn nickel-gold. Hình 3(c) là một phần của dây nano nhiều lớp cobalt-copper. Hình 3: (a) Dây nano đơn đoạn nickel ;(b) dây nano hai đoạn nickel-gold ; (c) dây nano nhiều lớp cobalt-copper.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất từ của dây nano từ Các tính chất từ của dây nano từ tính như lực kháng từ, trường khử từ, từ dư, từ độ bão hòa phụ thuộc rất mạnh vào kích thước và cấu trúc của các dây nano. Trƣờng khử từ Khi một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài, từ trường bên trong vật thường gọi là trường khử từ. Trường này có xu hướng khử từ vật liệu.
Trường khử từ, Hd, tỉ lệ với từ độ M nhưng ngược hướng với từ độ M và được cho bởi công thức: Hd =−NdM (1.1) Trong đó hệ số khử từ Nd phụ thuộc vào hình dạng của vật [13]. Tổng dị hướng từ của dây nano từ bị ảnh hưởng khá lớn bởi dị hướng từ, hình dạng của dây và trường khử từ giữa các dây [14].2 Từ trở Nghiên cứu tính chất từ trở (MR) của dây nano cung cấp khá nhiều thông tin về hiệu ứng lượng tử, tán xạ biên dây của các điện tử. Đỉnh cực đại từ trở MR theo chiều dọc ở một trường tác dụng cụ thể (B) theo trục dây biến đổi tuyến tính với sự đối xứng của đường kính dây ở một nhiệt độ xác định. Từ trở của dây nano phần lớn phụ thuộc và đường kính của dây.
Sự xuất hiện của cực đại được phân bố theo hiệu ứng kích thước cổ điển [15]. Hình 4: Từ trở theo chiều dọc của (a) dây nano hợp kim Bi0.15 đường kính 40 nm và (b) dây nano hợp kim Bi–Sb đường kính 65 nm ở nhiệt độ khác nhau 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đƣờng cong từ trễ Đường cong từ trễ của một mẫu cho biết sự phản ứng của mẫu với từ trường ngoài đặt vào mẫu, và theo lý thuyết, đường cong từ trễ của của một mẫu bất kỳ có thể thu được nhờ cực tiểu hóa tổng năng lượng tự do của vật trong từ trường ngoài. Đường cong từ trễ một vật bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vật liệu và cấu trúc vi mô của vật, hình dạng và kích thước của vật, hướng của trường từ hóa và lịch sử từ hóa của mẫu.
Để miêu tả một đường cong từ trễ của một mẫu, chúng ta thường sử dụng các tham số như từ độ bão hòa Ms, từ dư Mr, trường bão hòa Hsat và lực kháng từ Hc. Hai loại đường cong từ trễ của một mảng dây nano sắt từ đơn đoạn được minh họa như trên hình 5 [13]. Hình 5: Đường cong từ trễ của mảng dây nano nickel. Đường kính của dây là 100nm, và chiều dài là 1µm.
(a) Từ trường đo H song song với trục của dây; (b) Từ trường đo H vuông góc với trục của dây. Một số ứng dụng của dây nano từ 1. Thao tác phân tử sinh học Phân tử sinh học có thể được thao tác sử dụng dây nano dưới tác dụng của từ trường ngoài và là nền tảng của các ứng dụng y sinh của dây nano từ. Thông 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thường, thao tác phân tử sinh học sử dụng dây nano từ dựa trên liên kết giữa các phân tử sinh học và dây nano từ.
Khả năng tổ chức không gian các tế bào sống là quan trọng trong rất nhiều các ứng dụng y sinh như cảm biến sinh học. Một nghiên cứu về tổ chức không gian của các tế bào mammalian sử dụng dây nano sắt từ trong sự kết hợp với mảng nam châm mẫu đã được thực hiện. Trong hình 6, các tế bào đã được treo bởi các dây nano để tự lắp ráp thành chuỗi dưới tác dụng của từ trường ngoài để sắp xếp các dây nano. Các tế bào sẽ lắng xuống trong môi trường nuôi và các dây nano tương tác với nhau bởi lực hút dipole-dipole gây ra bởi momen từ của chúng.
Cuối cùng, chuỗi tế bào được hình thành ở đáy của đĩa nuôi và có thế kéo dài ra tới hàng trăm micro mét. Bởi vì lực tương tác nội trong các dây không đủ mạnh để di chuyển các tế bào theo chất nền nên quá trình xâu chuỗi tế bào ngừng lại khi tất cả các tế bào nằm trên mặt chất nền. Các tế bào không chứa dây sẽ phân bố ngẫu nhiên trong chất nền [13]. Hình 6: Quá trình hình thành chuỗi tế bào.
Hệ cảm biến sinh học treo. Ứng dụng của dây kim loại nhiều lớp trong định dạng treo cho xét nghiệm miễn dịch một cách nhanh chóng và nhạy đã được nghiên cứu. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ cảm biến sinh học treo được minh họa như trên hình 7(b). Trong một hệ cảm biến sinh học treo, đối tượng của phép phân tích được giữ lại và được lai hóa trong dung dịch.
Để đảm bảo dây nano có thể được thao tác bởi từ trường ngoài, người ta phải trộn thêm một thành phần kim loại sắt từ phù hợp, ví dụ như 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thông thường, đoạn dây nickel ở vị trí hai đầu của dây nano có chiều dài khoảng 25 nm đến 150 nm. Trục dễ từ hóa của các đoạn dây từ hình đĩa vuông góc với trục của dây nên các dây nano nay sắp xếp vuông góc với tường tác dụng [13]. Hình 7: (a) Sự tương tự giữa một đoạn mã vạch thông thường và một dây nano kim loại nhiều lớp.
Đoạn dây Nickel được lắng ở hai đầu dây với chiều dài 50 nm; (b) Sơ đồ của một xét nghiệm miễn dịch được thực hiện trên dây nano. Ghi từ Ghi từ là một phương pháp lưu giữ âm thanh, hình ảnh và dữ liệu trong dạng của tín hiệu điện thông qua việc chọn lọc các phần từ hóa của một vật liệu từ. Phương pháp truyền thống là ghi từ song song. Phương pháp này không phù hợp cho ghi mật độ cao vì hướng từ hóa chống lại lẫn nhau và làm suy yếu tính chất từ của chúng, đồng thời diện tích của một “bít từ” lớn nên dung lượng thấp.
Trong những năm gần đây, người ta đã ứng dụng ghi từ vuông góc để tăng mật độ lưu giữ thông tin.