tiểu luận môn từ học vật liệu từ và ứng dụng

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ ------BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: TỪ HỌC Đề tài: Ứng dụng của vật liệu siêu thuận từ, nghịch từ và vật liệu có cấu trúc nano Học viên thực

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

- -BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: TỪ HỌC

Đề tài:

Ứng dụng của vật liệu siêu thuận từ,

nghịch từ và vật liệu có cấu trúc nano

Học viên thực hiện:

Hồ Thị Kim Loan

Lê Thị Thu Thảo Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

Lớp: LL&PP DHBM Vật Lý K24

Huế, tháng 5 năm 2016

MỞ ĐẦU

Có thể nói khoa học và công nghệ nano thực sự là một bước đột phá của nghành khoa học vật liệu trong thế kỷ 21, vật liệu nano góp phần giải quyết được các bài toán nhân loại có tính toàn cầu như y tế, năng lượng, môi trường

Trong những năm qua, việc ứng dụng các hạt nano từ cho y sinh học đặc biệt trong chuẩn đoán và điều trị ung thư đang là vấn đề thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới Khi kích thước của vật liệu từ giảm tới cỡ nano mét, vật liệu sẽ xuất hiện thêm nhiều tính chất mới như hiện tượng hồi phục siêu thuận từ,

dị hướng bề mặt, bề măt riêng lớn Các tính chất này làm cho chúng trở nên kì lạ hơn so với vật liệu khối và là ưu thế trong các ứng dụng y sinh, dạng vật liệu này đang mở ra nhiều lĩnh vực mới trong công nghệ và khả năng ứng dụng của nó Vật liệu nano có tính chất khá thú vị bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng

Do vậy vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghệp, trong sinh học cũng như trong xử lý môi trường Do tính chất đặc biệt và ứng dụng rộng rãi

của chúng mà chúng tôi đã chọn đề tài: “Ứng dụng của vật liệu siêu thuận từ,

nghịch từ và vật liệu có cấu trúc nano” để làm bài tiểu luận của mình.

1 Vật liệu thuận từ, nghịch từ:

Thuận từ, nghịch từ là một dạng rất yếu của từ tính, không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có một trường ngoài tác dụng Tính nghịch từ có ở hầu hết tất cả các vật liệu nhưng vì nó rất yểu nên chỉ có thể quan sát được khi không có các dạng từ tính khác Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính bởi

vì chúng chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài, mật độ từ thông trong chúng hầu như giống trong chân không Do đó chúng ít có ý nghĩa thật tế

Ví dụ của vật liệu nghịch từ: Chế tạo các màng mỏng từ (lớp rất mỏng) trên

đế Si Khi đo trong từ trường cao, tính nghịch từ của Si trở nên mạnh hơn vì màng rất mỏng nên mômen từ thấp Nên ta có thể quan sát thấy đường cong từ hóa theo kiểu mômen từ giảm theo từ trường hay thậm trí mang giá trị âm trong từ trường dương Có thể hiểu rằng, các chất nghịch từ đẩy từ trường ra ngoài

Siêu dẫn là các chất nghịch từ lý tưởng, chúng hoàn toàn đẩy từ trường ra ngoài Các màng mỏng từ được ứng dụng trong nhiều bộ phận trong ổ đĩa cứng như trong đĩa từ (platter),trong đầu đọc/ghi, trong các cảm biến, bộ dẫn động…

2 Vật liệu siêu thuận từ.

Các vật liệu siêu thuận từ đang được sử dụng nhiều trong vật lý và y sinh học nhờ khả năng hồi đáp nhanh với sự tác dụng của từ trường bên ngoài Siêu thuận từ được sử dụng trong các hạt nano từ tính, đặt trong các chất lỏng từ Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng

từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận từ,

từ dư và lực kháng từ bằng không Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

 Các chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn trong các hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dẫn từ, làm giảm nhiễu ồn ở loa điện động

3 Vật liệu từ có cấu trúc nano.

Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu

Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, các ứng dụng hạt nano để dẫn truyền thuốc (drug delivery) đến một vị trí nào đó trên cơ thể là một trong những ví

dụ về ứng dụng của hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn Vật liệu có cấu trúc nano được ứng dụng vào các lĩnh vực sau:

- Y dược: Hạt nano

- Hóa chất và vật liệu cao cấp: Ống nano

- Công nghệ thông tin, viễn thông : Vật liệu xốp nano

- Năng lượng: Lồng nano

- Tự động hóa: Chấm lượng tử

- Hàng không vũ trụ: Vật liệu cấu trúc nano

- Dệt: Sợi nano

- Nông nghiệp: Hạt chứa hạt nano (capsule)

Vật liệu nano chỉ có tính chất thú vị khi kích thước của nó so sánh được với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng ta nghiên cứu Vật liệu nano có khả năng ứng

dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài) Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinh học thì có rất nhiều, những ứng dụng đang được nghiên cứu sôi nổi và có triển vọng phát triển đó là phân tách tế bào (magnetic cell separation), dẫn truyền thuốc (drug delivery), thân nhiệt cao cục bộ (hyperthermia), tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement) Vật liệu nano dùng trong các trường hợp này là các hạt nano

Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính

 Trong sinh dược học, đôi khi người ta cần phải phân tách một loại tế bào đặc biệt nào đó ra khỏi các tế bào khác Hạt từ nano có tính tương hợp sinh học (biocompatible) được dùng để làm điều đó Quá trình này gồm hai giai đoạn: dán nhãn cho tế bào (labelling) bằng các hạt nano từ; và phân tách các tế bào được dán nhãn bằng các dụng cụ phân tách Các hạt nano từ được phủ bởi một loại hóa chất, thường được dùng là chất hoạt hóa bề mặt (surfactant) để làm tăng độ tương hợp sinh học và làm tăng khả năng ổn định trong dung dịch của hạt nano Cơ chế dán nhãn tế bào giống như cơ chế mà các kháng thể nhận ra các kháng nguyên trong cơ thể Ví dụ nếu ta phủ một lớp hóa chất miễn dịch đặc hiệu bên ngoài hạt nano thì chúng có thể bám vào các tế bào máu, các tế bào ung thư, vi khuẩn hoặc các thể golgi Để phân tách các

tế bào được đánh dấu, người ta dùng một dụng cụ tạo ra gradient từ trường bằng cách đặt một thanh nam châm chẳng hạn để hút các hạt nano từ đang liên kết với các tế bào và bằng cách đó, các tế bào được tách khỏi các tế bào khác không được đánh dấu

 Để tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ: Các hạt nanô siêu thuận từ

tạo thành từ ô-xít sắt hoặc hợp chất chứa Gd thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ Sự có mặt của chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị rất nhiều Giá trị của cũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu hơn Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30nm được bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn Như vậy, mật độ hạt

nanô ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa

phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác

 Trong phương pháp điều trị ung thu bằng đốt nóng thân nhiệt cục bộ

Để sử dụng ứng dụng này, các hạt nano từ tính phải là không độc hại với cơ thể, Chúng sẽ được bao phủ bằng một chất gọi là chất hoạt hóa bề mặt là các chất có tính chất hoạt động bề mặt, bao phủ các hạt, vừa có tác dụng cách ly các hạt, tạo ra một dung dịch kiểu huyền phù (lơ lửng) và hòa tan tốt vào dung môi có tính tương thích sinh học với cơ thể Như vậy, ta sẽ có một chất lỏng mang từ tính (ta có thể tưởng tượng nó giống như một nam châm dạng lỏng Có nghĩa là chúng sẽ có phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài Chất lỏng này được tiêm vào cơ thể và đưa đến các tế bào ung thư (bằng các chất chỉ nhạy với loại tế bào này, cái này các bạn học Sinh học biết rất rõ) Đặt vào một từ trường xoay chiều Ta hãy tưởng tượng các hạt nano từ tính này giống như các nam châm, khi đặt vào từ trường xoay chiều chúng sẽ quay và tạo ra nhiệt Bằng cách này ta sẽ tạo ra một nhiệt lượng đốt nóng cục bộ và đốt chết tế bào ung thư Đây là một phương pháp trị ung thư mới trên thế giới và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ

Và dưới đây là một loại vật liệu từ cấu trúc nano, ứng dụng của nó

* Cấu trúc của chất lỏng từ trên cơ sở hạt nano ferrite (Fe 3 O 4 )

Bao gồm 3 thành phần:

 Hạt từ đơn đômen với momen từ định hướng ngẫu nhiên

 Môi trường dung môi lỏng không cực

 Trên bề mặt hạt được bao phủ bởi một lớp hoạt tính bề mặt

Các hạt từ đơn momen có kích

thước cỡ vài chục nano mét và có

dạng gần hình cầu ở trong môi

trường chất lỏng

Hình ảnh lực từ tác dụng lên chất lỏng từ

Một số ứng dụng của chất lỏng từ:

+ Quan sát đô men từ

+ Quan sát các sai hỏng bề mặt

Hình ảnh từ có thể quan sát dựa trên hiển vi hiệu ứng Kerr hay hiển vi từ lực MFM, để phát hiện và định vị những vùng sai hỏng có kích thước nhỏ cỡ vài micron

+ Ứng dụng trong y sinh: tách chiết tế bào, vận chuyển thuốc

+ Bịt kín và bôi trơn

Trục quay bị bịt kín không có rò rỉ ( dầu hay chất lỏng độc hại) + Làm đệm giảm xóc

+Chống rung, giảm chấn

Giảm chấn rung do chuyển động cho cầu + Nâng và cân bằng ổn định

Trục quay được ổn định 3D + Tản nhiệt bằng nước từ: Công suất của loa tăng đáng kể khi thực hiện tản nhiệt tốt cho cuộn dây dao động

+ Mực in từ chống giả mạo

Ngoài ra còn một số ứng dụng khác như: sensor, chuyển đổi thủy tinh từ, vi bơm, động cơ chuyển đổi nhiệt _ điện, công tắc quang học, người máy, vận chuyển thuốc,…

KẾT LUẬN

Qua quá trình tìm hiểu ứng dụng của các vật liệu từ, đặc biệt là vật liệu siêu thuận từ, vật liệu có cấu trúc nano, giúp chúng em hiểu biết sâu thêm những ứng dụng thực tế của chúng đi sâu vào đời sống chúng ta

Và do công nghệ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, nhu cầu xã hội ngày càng tăng nên vật liệu nano ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn vào các lĩnh vực khác nhau, nổi bật lĩnh vực y học

Vậy do đặc điểm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, kĩ thuật, trong nghiên cứu khoa học cũng như trong đời sống nên vật liệu siêu thuận từ và đặc biệt vật liệu nano đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến, ngày càng phát triển nhiều ứng dụng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, đời sống