CHƯƠNG 1. CƠ SỞ TỪ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỪ Như chúng ta đã biết, bản chất của các hạt từ nanô khác hẳn vật liệu khối của nó. Trong các vật liệu khối, bản chất từ bị ảnh hưởng bởi các đômen và vách đômen (hình 1. Vách Đômen đômen Hình 1.1 : Biễu diễn đômen và vách đômen trong vật liệu khối.
Các đômen từ là các vùng ở trong một tinh thể mà ở đó sự định hướng của các mômen từ là khác nhau nhưng sắp xếp song song với trục dễ và mỗi đômen cách nhau bởi một vách đômen mỏng [1,2]. Các hạt nanô từ là đủ nhỏ để được xem là một đơn đômen. Các đơn đômen từ tồn tại để giảm năng lượng của hệ. Khi kích thước của hạt nanô từ giảm đến một kích thước ngưỡng Dc, thì thể hiện bản chất đơn đômen lý thú.
Trong chương này, sẽ trình bày một cách khái quát các cơ sở của từ học và bản chất đơn đômen cũng như tính siêu thuận từ, các phương pháp tổng hợp hạt nanô từ và ứng dụng của chúng trong y sinh học đồng thời trình bày các thiết bị sử dụng và kỹ thuật liên quan làm cơ sở lý thuyết cho công trình nghiên cứu. Cơ sở từ học 1. Nguồn gốc của mômen từ Các tính chất từ vĩ mô của vật liệu đều là hệ quả của các mômen từ gắn với từng điện tử. Khái niệm này khá phức tạp và dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử.
Trong luận văn này, chỉ trình bày một sơ đồ được đơn giản hoá. Mỗi electron trong một nguyên tử đều có các mômen từ với 2 nguồn gốc: - Một liên quan đến chuyển động của nó xung quanh hạt nhân. Là một điện tích chuyển động, mỗi electron có thể được xem như một dòng điện nhỏ, sinh ra một từ trường rất yếu. Do đó có một mômen từ hướng dọc theo trục quỹ đạo của nó, gọi là mômen từ quỹ đạo.
- Mặt khác, mỗi electron còn có một chuyển động riêng là chuyển động xung quanh trục của bản thân (gọi là spin). Do đó xuất hiện một mômen từ nữa, bắt nguồn từ spin điện tử hướng theo trục của spin, gọi là mômen từ spin điện tử (hay mômen từ spin) được mô tả theo hình 1. Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Đối với nguyên tử có một electron, chỉ có hai mômen từ: mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo tương tác với nhau, tạo ra liên kết spin–quỹ đạo (spin–orbit coupling). Đối với nguyên tử có nhiều electron thì mômen từ của nguyên tử sẽ phụ thuộc vào liên kết spin–quỹ đạo, spin–spin, quỹ đạo–quỹ đạo.
Trong đó, liên kết spin–quỹ đạo là liên kết yếu, do đó, có thể bỏ qua khi tính mômen tổng của nguyên tử. Điện tử Hạt nhân Hình 1. Các spin được tạo bởi chuyển động của điện tử. Như vậy, mỗi điện tử trong nguyên tử có thể xem như một nam châm vĩnh cửu nhỏ có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin.
Trong mỗi nguyên tử cô lập, mômen từ quỹ đạo cũng như mômen từ spin triệt tiêu lẫn nhau. Mômen từ của một nguyên tử chính là tổng mômen từ của các điện tử trong nguyên tử, bao gồm cả mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. Các khái niệm cơ bản [1] Nền tảng của hiện tượng từ dựa vào sự hưởng ứng mà vật liệu có được khi đặt vào từ trường ngoài. Các spin của các điện tử trong vật liệu cùng hướng với từ trường tác dụng để từ hoá các vật liệu.
Từ trường ngoài H, sự hưởng ứng từ của vật liệu được gọi là cảm ứng từ B, mối liên hệ giữa B và H được xác định bởi phương trình: B=H+4πM (1.1) Với M là độ từ hoá của vật liệu. Độ từ hoá là moment từ của một đơn vị thể tích, và moment từ là đặc tính cấu thành nguyên tử, cũng như mối liên hệ giữa chúng với nhau. Trong hệ đơn vị SI: B = µ 0( H + M ) (1.2) µ0 là độ từ thẩm của chân không. Tính chất từ của vật liệu thể hiện bằng cách xem chúng khác nhau ra sao đối với từ trường ngoài.
Vì thế, tỉ số của M và H được gọi là độ cảm từ và biểu hiện sự hưởng ứng với từ trường ngoài [3,4]. Phương trình (1.3) thể hiện điều này: χ =M/H ( 1.3 ) Tỉ số B và H được gọi là độ từ thẩm, nó thể hiện mức độ từ trường có thể xuyên qua vật liệu. Phương trình (1-4) thể hiện đặc tính này: µ=B/H ( 1.4 ) Từ phương trình (1.4) chúng ta thấy được mối liên hệ giữa độ cảm ứng từ và độ từ thẩm: µ= 1+4πχ (1.5 ) Hay trong hệ đơn vị SI: Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS.
Các hệ số Đại lượng Hệ đơn vị Hệ đơn vị (cgs) chuyển từ hệ cgs sang SI hệ SI Cảm ứng từ B T G 10-4 Từ trường H A/m Oe 103/4 π Độ từ hoá M A/m emu/g 103 Độ từ thẩm μ H/m Không thứ nguyên 4 π x 107 Không thứ Độ cảm từ χ emu/g. Sự phân loại theo tính chất từ Các vật liệu từ có thể được phân thành các chất nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ và ferit từ [2,5]. Hai loại phổ biến nhất bao gồm hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn là nghịch từ và thuận từ (hình 1. Các vật liệu nghịch từ không có bất kỳ electron không có cặp nào, nên không có các mômen từ trong các vật liệu nghịch từ (hình 1.
Khi được đặt trong một từ trường ngoài, các vật liệu nghịch từ tạo ra một độ từ hóa yếu ngược với từ trường ngoài và cho một độ cảm từ âm[41]. Trong các vật liệu thuận từ, các mômen từ sắp xếp hỗn loạn do các kích thích nhiệt (hình 1. Theo định luật Curie (phương trình (1.7)), chúng ta có thể thấy rằng trật tự từ của các vật liệu thuận từ[1,16,20] bị ảnh hưởng do nhiệt độ theo công thức [6,7] : C χ= Τ (C là hằng số Curie) (1.7) Tuy các mômen từ trong các vật liệu thuận từ không tương tác nhau, nhưng định luật Curie chứng tỏ rằng với sự tăng của nhiệt độ, dao động nhiệt tăng, làm cho các mômen từ khó sắp xếp song song với nhau. Vì vậy vật liệu thuận từ chỉ có một độ cảm từ nhỏ nhưng dương.
Các mômen từ trong các vật liệu sắt từ được sắp xếp song song với nhau (hình 1. Nhờ trật tự từ của chúng, các vật liệu sắt từ [34] biểu thị độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài. Ở tại và trên điểm chuyển của nhiệt độ Curie ( ΤC ), trật tự từ tuân theo định luật Curie (1.8) Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 : Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố. và các mômen từ trở nên định hướng hỗn loạn, có bản chất giống như vật liệu thuận từ.
Các vật liệu phản sắt từ cũng tương tự như vật liệu sắt từ. Song do tương tác trao đổi với các nguyên tử lân cận của chúng và các mômen từ của chúng sắp xếp phản song song với nhau. Trên nhiệt độ chuyển tiếp, nhiệt độ Néel TN, các mômen trượt tiêu lẫn nhau và tự định hướng giống như vật liệu thuận từ. Tương tự như vật liệu phản sắt từ, trật tự của các vật liệu ferit là phản song nhau, nhưng độ lớn khác nhau hoặc số các mômen phản song song không cân bằng nhau.4 : Trật tự mômen từ của các chất (a) nghịch từ, (b) thuận từ, (c) sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) ferit từ.
Luận văn thạc sĩ Lê Hồng Phúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 CHƯƠNG 2. CHẤT LỎNG TỪ – ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT Chất lỏng từ là chất keo phân tán của những hạt nanô từ, chúng không bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn và từ trường trung bình trên trái đất nhờ vào kích thước hạt nhỏ (vài chục nm). Chúng cũng có tính ổn định đối với sự kết tụ nhờ vào những lớp họat tính được phủ lên bề mặt của những hạt từ nanô. Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần, trong đó những tương tác nội tại phức tạp giữa các thành phần của nó diễn ra liên tục [42].
Vì thế tính chất keo có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thành phần chất lỏng cũng như tỉ lệ của những thành phần đó, nói rõ hơn là tùy thuộc vào quá trình chế tạo. Hiện nay, chất lỏng từ được nghiên cứu ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như: công nghệ, y sinh học, môi trường… Khả năng ứng dụng của một chất lỏng từ trong tùy thuộc rất nhiều vào những tính chất vật lý của nó vì mỗi một lĩnh vực ứng dụng sẽ được nghiên cứu dựa trên những tính chất đặc trưng của nó. Tuy nhiên, có một số tính chất quan trong nhất của chất lỏng từ liên quan đến khả năng tương tác với từ trường được gọi là độ từ hóa của vật liệu, cũng như độ nhớt và mật độ cũng là những đại lượng đáng lưu ý khi đưa vào ứng dụng.1 Độ từ hóa của chất lỏng từ[25] 2.1 Độ từ hóa trong trường ngoài. Chất lỏng từ chỉ ổn định khi kích thước hạt đủ nhỏ, và nếu như kích thước hạt sắt từ nhỏ hơn giá trị tới hạn thì những hạt đó sẽ có cấu trúc đơn đô men.
Vì kích thước của các hạt nanô từ dao động trong khỏang vài chục nanô mét nên có thể xem như các hạt trong chất lỏng từ có cấu trúc đơn đô men. Và những hạt này đều hoạt động như những chất thuận từ bất chấp bản chất vật liệu đặc trưng của chúng. Tuy nhiên, vì những hạt này có mômen từ cao, nên năng lượng cần thiết để làm thay đổi hướng mômen từ của hạt có thể so với năng lượng nhiệt của môi trường chung quanh với một tốc độ đáng kể nên chúng được gọi là hệ siêu thuận từ. Định luật từ hóa của một chất khí thuận từ được mô tả bằng hàm Langevin L(ξ): M= nm (ctgξ -1/ξ) = MsL(ξ), M = MH/H (1.9) Trong đó, ξ= μ0mH/(kT), μ0 là độ từ thẩm trong chân không, H là cường độ từ trường, k là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ tuyệt đối; n là số lượng hạt trên đơn vị thể tích, m là mômen từ của một hạt.
Khi từ trường gia tăng (ξ →0), từ độ của hệ thu được giá trị bão hòa của nó Ms=mn; và tất cả các mômen từ của tất cả các hạt định hướng dọc theo từ trường: M = Ms[1-kT/(μ0mH)] (1.