MỞ ĐẦU Các hạt nano từ tính và chất lỏng từ tương ứng là vật liệu chức năng có ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và y sinh. Chất lỏng này có hiệu quả sử dụng cao nhờ các tính chất và hành vi của nó có thể được điều khiển bằng từ trường ngoài. Có thể kể ra những ứng dụng quan trọng của chất lỏng từ liên quan đến tính chất có một không hai của chúng. Đó là keo dán động (nơi chất lỏng từ được dùng để ngăn cách thiết bị với môi trường xung quanh), là chất tản nhiệt (ví dụ ở trong loa, chất lỏng từ dùng để giảm nhiệt và nhiễu), là chất làm ẩm nhớt để giảm những cộng hưởng không mong muốn, là chất dẫn thuốc, là chất làm tăng nhiệt cục bộ để điều trị ung thư và chụp ảnh cộng hưởng từ.
Đặc tính thông minh của chất lỏng từ được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ trước nhưng đến năm 2002, khi chất lỏng từ bắt đầu xuất hiện trên thị trường thương mại thì các nghiên cứu trong lĩnh vực này mới được thúc đẩy mạnh mẽ. Đây là lĩnh vực hứa hẹn cho nhiều ứng dụng tiên tiến và là thử thách không nhỏ cho các nghiên cứu cơ bản. Rất nhiều nỗ lực của cộng đồng khoa học đã tập trung vào đây nhưng để đạt được một hiểu biết toàn diện về đặc tính này vẫn còn nhiều vấn đề cần làm sáng tỏ. Chất lỏng từ thường có ba thành phần: hạt từ, chất mang dạng lỏng và chất hoạt động bề mặt.
Chất lượng của mỗi thành phần sẽ quyết định hành vi của chất lỏng từ. Trong số các hạt từ, coban ferit (với công thức hóa học CoFe2O4) là chất có rất nhiều ưu điểm như có từ hóa bão hòa vừa phải, độ cưỡng bức cao, cách điện với tổn thất dòng điện thấp, hằng số dị hướng từ cao, nhiệt độ Curie Tc cao và ổn định hóa học. Tính chất điện, điện từ, nhiệt của coban ferit liên quan rất nhiều đến cấu trúc, kích thước hạt. Ở thể khối, CoFe2O4 mang tính chất từ cứng, khi kích thước giảm xuống cỡ nano, nó mang tính từ mềm và khi kích thước nhỏ hơn kích thước tới hạn từ mềm, CoFe2O4 mang tính chất siêu thuận từ.
Với các tính chất cơ lý đặc biệt, coban ferit có tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong y học nano như tăng thân nhiệt, chụp cộng hưởng từ. cũng như trong ứng dụng về kỹ thuật như làm cảm biến sensor nhiệt, các thiết bị lưu trữ. hay như được ứng dụng làm xúc tác trong các phản ứng hóa học. Chất mang dạng lỏng được chia làm 2 loại: chất mang gốc dầu và chất mang gốc nước.
Chất mang gốc nước hiện nay thu hút được nhiều mối quan tâm của các nhà nghiên cứu do không độc tính nên có khả năng ứng dụng trong y sinh. Tuy nhiên, với độ nhớt thấp nên khi chế tạo chất lỏng từ gốc nước, chúng dễ bị keo tụ và sa lắng. Chất hoạt động bề mặt (HĐBM) không độc tính thường được thêm vào nhằm mục đích bao quanh các hạt từ, giảm độc tính của các hạt từ, đồng thời ngăn cản các hạt này tập hợp với nhau gây mất ổn định phân tán. Chất lỏng từ là một họ gồm nhiều loại nhưng hầu hết các chất lỏng từ thương mại có thể xếp vào 2 nhóm là chất lỏng lưu biến từ (Magnetorheological fluids – MR) và dung dịch từ (Ferrofluids-FFs).
MR là hệ phân tán các hạt vật liệu từ có kích thước micromet trong môi trường lỏng. Thông thường các hệ có kích thước hạt trung bình lớn hơn 40 nm được xếp vào nhóm MR. FF là hệ phân tán của các hạt từ có kích Trang 13 thước nanomet trong các môi trường phân cực hoặc không phân cực. Hệ FF lý tưởng bao gồm các hạt đơn phân tán có kích thước trong khoảng 5 – 15 nm.
Trong nhiều năm qua các nghiên cứu lưu biến tập trung vào hệ MR với hiệu ứng nhớt từ (magnetoviscous effect - MVE). Với hệ FF, hầu hết các công trình trong lĩnh vực này khảo sát hệ FF lý tưởng, tức là hệ bao gồm các hạt từ có kích thước nhỏ hơn 10 nm được phân tán tốt trong môi trường nước. Trong hệ lý tưởng này chuyển động Brown đóng vai trò chủ đạo và tác động của từ trường ngoài chỉ gây ra mức tăng rất nhỏ của độ nhớt. Tuy nhiên, trên thực tế các hệ FF là đa phân tán và nồng độ hạt rắn là lớn hơn nhiều dẫn đến năng lượng tương tác tĩnh điện giữa các hạt vượt quá chuyển động Brown.
Khi đó, các hạt tập hợp thành từng đám dưới tác động của từ trường ngoài làm tăng đáng kể độ nhớt. Do vậy, tính chất lưu biến của hệ FF với nồng độ chất rắn cao hiện đang là hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm. Tuy nhiên các kết quả thu được chưa đạt được sự đồng thuận cao và còn nhiều yếu tố chưa được xem xét, chẳng hạn như tính chất vật liệu, nhiệt độ, chất lỏng nền,…Đặc biệt, các mô hình lý thuyết chưa có tính tổng quát, cho phép giải thích được kết quả thực nghiệm. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về tính lưu biến đang giới hạn trong chất lỏng từ oxit sắt làm hạn chế khả năng phát triển ứng dụng của 1 trong những vật liệu ưu việt hiện nay là coban ferit.
Mục tiêu nghiên cứu - Kiểm soát quá trình điều chế các hạt nano từ tính coban ferit bằng phương pháp kết tủa hóa học để có thể điều khiển cấu trúc, kích thước và tính chất từ đáp ứng các ứng dụng đa dạng. - Chế tạo và ổn định phân tán chất lỏng từ coban ferit. - Nghiên cứu tính chất lưu biến của chất lỏng từ coban ferit trong điều kiện không có và có từ trường ngoài. Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, phát triển mô hình lý thuyết.
Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp các hạt nano coban ferit bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học. Khảo sát một số yếu tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc, kích thước hạt và tính chất từ. Điều chế 2 dạng vật liệu từ: vật liệu từ mềm và vật liệu siêu thuận từ. - Điều chế chất lỏng từ coban ferit bằng cách phân tán các hạt từ trong môi trường nước.
Khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt, lớp vỏ bọc polyme bao quanh hạt đến độ ổn định phân tán của chất lỏng từ. - Khảo sát độ nhớt động (độ nhớt trượt) của chất lỏng từ coban ferit dưới tác dụng của từ trường ngoài. Quá trình được thực hiện cho 2 hệ chất lỏng từ: coban ferit từ mềm và siêu thuận từ. Ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như nồng độ hạt, chất lỏng nền và nhiệt độ cũng được xem xét.
- Xây dựng mô hình toán mô tả độ nhớt của chất lỏng từ tạo thành với sự tham gia của các yếu tố khảo sát Trang 14 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án Những năm gần đây các nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về hệ chất lỏng từ phát triển rất mạnh mẽ. Sự hấp dẫn của lĩnh vực nghiên cứu này đến từ khả năng ứng dụng to lớn của chất lỏng từ trong công nghiệp và y sinh cũng như những vấn đề cơ bản cần được sáng tỏ, chẳng hạn như ảnh hưởng của tương tác hạt và từ trường ngoài đến cấu trúc, động học và sự chuyển pha trong chất lỏng. Đặc biệt, hiệu ứng nhớt từ (MVE), được định nghĩa là sự thay đổi của độ nhớt theo từ trường ngoài, nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học. Trong số các vật liệu từ, magnetite (Fe3O4) và maghemite (Fe2O3) được nghiên cứu rộng rãi nhất do các ứng dụng tuyệt vời của nó trong lĩnh vực y sinh.
Tuy nhiên, các vật liệu này còn có những hạn chế về tính chất từ khi ở kích thước nhỏ và trong môi trường sinh học. Coban ferit được lựa chọn như vật liệu thay thế với các tính chất được nâng cao như độ bão hòa từ, tính dị hướng từ, độ bền hóa học, lực kháng từ,… Coban ferit được biết đến như vật liệu từ mềm đặc trưng với độ bão hòa từ cao. Ở kích thước nano < 10 nm, CoFe2O4 cũng thể hiện tính chất siêu thuận từ với những ưu điểm thậm chí vượt trội so với Fe3O4, trong các ứng dụng tăng thân nhiệt hay cộng hưởng từ. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về coban ferit và chất lỏng từ liên quan là tương đối nghèo nàn.
Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc biến tính CoFe2O4 bằng cách điều khiển các phương pháp, điều kiện tổng hợp hoặc thay thế ion kim loại. Các vấn đề liên quan đến chuyển động của chất lỏng từ, tương tác của hạt từ với chất lỏng nền gần như chưa được xem xét khiến cho việc phát triển ứng dụng của chất lỏng từ coban ferit còn rất hạn chế. Chính vì vậy, nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Những kết quả khảo sát thực nghiệm sẽ làm sáng tỏ các mô hình lý thuyết, phát triển ứng dụng của vật liệu từ nói chung và CoFe2O4 nói riêng.
Những đóng góp mới của luận án - Kiểm soát các điều kiện phản ứng điều chế coban ferit theo từng mục tiêu về cấu trúc, kích thước hạt và tính chất từ để đáp ứng các mục tiêu ứng dụng khác nhau. - Điều chế coban ferit siêu thuận từ với từ độ bão hòa cao bằng phản ứng kết tủa diễn ra ở nhiệt độ < 40 oC. - Chất lỏng từ CoFe2O4 được ổn định phân tán cao bằng chất hoạt động bề mặt và bằng kỹ thuật tạo lớp vỏ polyme có khả năng ứng dụng cao trong y sinh. - Xác định tính chất độ nhớt của 2 loại chất lỏng từ coban ferit (từ mềm và siêu thuận từ) trong điều kiện có và không có từ trường.
Từ đó chỉ ra ảnh hưởng của tính chất từ vật liệu đến tính lưu biến. - Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt, nhiệt độ và chất lỏng nền đến tính chất lưu biến của chất lỏng từ CoFe2O 3. - Phát triển mô hình lý thuyết mô tả tính chất lưu biến của chất lỏng trong điều kiện có và không có từ trường ngoài. Trang 15 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ VÀ TÍNH LƯU BIẾN CỦA CHẤT LỎNG TỪ COBAN FERIT 1.1 Vật liệu từ Từ tính là một thuộc tính của vật liệu.
Nó thể hiện khả năng cộng hưởng với từ trường ngoài của vật liệu. Từ tính ngày nay là một trong những tính chất rất quan trọng của vật liệu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong điện, điện tử và y sinh. Toàn bộ các vật dụng, thiết bị điện tử đều dùng vật liệu có tính chất sắt từ.