Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa quy trình chế tạo hạt nano fe3o4 bọc silica

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, tập thể cán bộ của Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian em làm thí nghiệm t

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến thầy giáo – TS Nguyễn Hoàng Nam, người đã nhận em làm đề tài này và có những chỉ bảo, hướng dẫn sâu sát trong suốt quá trình làm luận văn của em

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo – GS.TSKH.Nguyễn Hoàng Lương Sự nghiêm khắc của thầy trong những buổi seminar hàng tuần đã làm em tiến bộ rất nhiều

Xin trân trọng cảm ơn Th.S Nguyễn Minh Hiếu là người đã giúp đỡ tôi rất nhiều Những hướng dẫn, gợi ý của Th.S Nguyễn Minh Hiếu luôn là những bài học

bổ ích rút ra từ thực tiễn làm việc Anh cũng cung cấp cho tôi nhiều tài liệu cần thiết

để hoàn thành tốt luận văn này

Xin được trân trọng cảm ơn Đỗ Đức Toán là người đã cùng tôi trực tiếp làm thí nghiệm với tôi Cám ơn anh vì những giúp đỡ hàng ngày, những chỉ dẫn thực tế

đã giúp tôi rất nhiều để có thể hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, tập thể cán bộ của Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian em làm thí nghiệm tại trường!

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và tất cả bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này!

Hà Nội ngày 10 tháng 12 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cường

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Vật liệu sắt từ 6

1.2 Tính chất siêu thuận từ 7 1.3 Cấu trúc của tinh thể Fe3O4 Error! Bookmark not defined 1.4 Chất lỏng từ Error! Bookmark not defined

1.5 Một số ứng dụng trong y sinh học của hạt nano Fe3O4 Error! Bookmark not

defined

1.5.1 Phân tách và chọn lọc tế bào Error! Bookmark not defined 1.5.2 Dẫn truyền thuốc Error! Bookmark not defined 1.5.3 Tăng thân nhiệt cục bộ Error! Bookmark not defined 1.5.4 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Error! Bookmark not

defined

1.6 Các phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 Error! Bookmark not defined 1.6.1 Phương pháp đồng kết tủa Error! Bookmark not defined 1.6.2 Phương pháp nghiền bi Error! Bookmark not defined 1.6.3 Phương pháp vi nhũ tương Error! Bookmark not defined 1.6.4 Phương pháp hóa siêu âm Error! Bookmark not defined 1.6.5 Phương pháp điện hóa Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined

2.1 Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4và bọc SiO2 Error! Bookmark not defined

2.1.1 Chế tạo hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa Error!

Bookmark not defined

2.1.2: Bọc hạt nano Fe3O4 bằng lớp SiO2 theo phương pháp Stober Error!

Bookmark not defined

2.2 Các phép đo khảo sát tính chất Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier Error! Bookmark not

defined

2.2.2 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark

not defined

2.2.3 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lượng Error!

Bookmark not defined

2.2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua Error! Bookmark not defined 2.2.5 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Tối ưu hóa quá trình bọc theo nồng độ TEOS Error! Bookmark not defined 3.1.1 Hình thái và cấu trúc Error! Bookmark not defined 3.1.2 Tính chất từ Error! Bookmark not defined

3.2 Tối ưu hóa quá trình bọc theo thời gian bọc SiO2 Error! Bookmark not

defined

3.2.1 Kết quả định lượng Error! Bookmark not defined 3.2.2 Khảo sát hình thái Error! Bookmark not defined 3.2.3 Khảo sát tính chất từ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

MỞ ĐẦU

Các hạt nano Fe3O4 có nhiều đặc điểm lý thú, có rất nhiều ứng dụng trong đời sống Trong công nghiệp hạt nano Fe3O4 có thể làm chất lỏng từ, chất bôi trơn, vật liệu hấp thụ sóng điện từ… Hạt nano Fe3O4 có thể dùng để xử lý môi trường như lọc nước hay thu hồi chất thải Đặc biệt trong lĩnh vực y-sinh học, người ta có thể sử dụng hạt để làm tác nhân tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân, phân tách và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và dãn truyền thuốc Tuy nhiên hạt nano 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) Để sử dụng hạt Fe3O4 trong y-sinh học, người ta phải tiến hành bọc các hạt nano Fe3O4 bằng một lớp vỏ Lớp vỏ có vai trò bảo vệ và khắc phục một

số nhược điểm của phần lõi [3,10] Do đó chúng thường được chế tạo từ những vật liệu trơ hóa học, có độ ổn định cao, bề mặt có khả năng tương thích sinh học như các polimer, các chất vô cơ như SiO2 Hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu chế tạo hạt nano Fe3O4/SiO2 với nhiều phương pháp khác nhau để ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học Tuy nhiên có những công trình cho kích thước hạt không đồng đều, chưa kiểm soát được những yếu tố đầu vào, dẫn đến khả năng lặp lại kém Với mong muốn cố gắng kiểm soát tốt những yếu tố đầu vào, để có thể chế tạo hạt

Fe3O4/SiO2 với số lượng lớn, chất lượng ổn định cho mục đích sử dụng trong y-sinh học, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn:

“Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa quy trình chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 bọc silica”

Mục đích của luận văn:

- Chế tạo hạt nano Fe3O4/SiO2

- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chế tạo các hạt nano Fe3O4/SiO2 cho mục đích chế tạo bộ kit thử nghiệm y-sinh học

Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Hạt nano Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa, sau đó được bọc silica bằng phương pháp Stober Cấu trúc hình thái của các mẫu được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu

xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Microscopy) Xác định thành phần nguyên tố của mẫu bằng máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Xác định các liên kết trong mẫu bằng máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy - FTIR) Tính chất từ được tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer) Các phép đo trên được thực hiện tại Trung tâm khoa học vật liệu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội, Khoa Địa chất - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội và Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Bố cục của khóa luận:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu sắt từ

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt

Có nhiều cách khác nhau để phân chia các vật liệu sắt từ, nhưng cách thông dụng nhất vẫn là phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ của vật liệu Theo cách phân chia này sẽ có 2 nhóm vật liệu sắt từ chính:

- Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt

- Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngoài như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe

Nguyên nhân gây ra tính sắt từ là trong các vật liệu sắt từ có các moment từ sắp xếp song song với nhau Vì vậy trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hoá tự phát Theo lý thuyết Weiss thì ngay cả khi không có từ trường ngoài trong vật liệu sắt từ đã có sự từ hoá tự phát đến bão hoà Nguyên nhân của sự từ hoá tự phát đó là

do các moment từ tương tác với nhau rất mạnh mẽ Tương tác này tương đương với tác dụng của từ trường ngoài lớn cỡ 107 Oe làm cho các moment từ có xu hướng sắp xếp song song với nhau ngay cả khi có tác dụng của kích thích nhiệt tại nhiệt độ phòng

Để giải thích sự khử từ của vật liệu sắt từ ở từ trường bằng không, Weiss cho rằng sự từ hoá tự phát đến bão hoà trong loại vật liệu này chỉ xảy ra trong từng domain (mỗi domain là một vùng từ hoá vĩ mô) còn giữa các domain với nhau thì các moment từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng của vật bằng không khi không có từ trường ngoài

Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ Curie sắt từ (Tc) - tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ - thuận từ Dưới nhiệt độ Tc tương tác giữa các moment từ thắng được kích thích nhiệt do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ Trên nhiệt độ Tc năng lượng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết sắt từ giữa các moment từ làm cho phân bố các moment từ trở lên hỗn loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ Ngày nay rất nhiều loại vật liệu có tính sắt từ đã được tìm ra và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống như: các kim loại (các kim loại chuyển tiếp và kim loại đất hiếm), các hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay còn gọi là hợp kim permalloy ), các ôxít Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh và khả năng ứng dụng lớn là đối tượng nghiên cứu được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực từ học

1.2 Tính chất siêu thuận từ

Đối với một vật liệu sắt từ thì khi ở kích thước lớn các hạt có xu hướng phân chia thành các domain từ để giảm năng lượng dị hướng hình dạng và ta có các hạt đa domain Khi kích thước hạt giảm xuống dưới một giá trị nào đó (thông thường khoảng 100 nm) thì mỗi hạt là một domain từ nói cách khác ta có các hạt đơn domain có moment từ sắp xếp theo các phương dễ từ hoá dưới tác dụng của năng lượng dị hướng từ Tiếp tục giảm kích thước hạt qua một giới hạn tiếp theo (thông thường giới hạn này cỡ 20 nm) sẽ xảy ra tình huống trong đó năng lượng kích thích nhiệt (có xu hướng phá vỡ sự định hướng moment từ của các hạt) trở nên trội hơn năng lượng dị hướng từ (có tác dụng định hướng moment từ của các hạt) Khi đó moment từ của các hạt sẽ định hướng một cách hỗn loạn do đó moment từ tổng cộng bằng không Chỉ khi có từ trường ngoài tác dụng thì mới có sự định hướng của moment từ của các hạt và tạo ra moment từ tổng cộng khác không Tính chất này là đặc trưng cho các vật liệu thuận từ nhưng ở đây mỗi hạt nanô có chứa hàng vạn nguyên tử nên cũng có moment từ hàng vạn lần lớn hơn moment từ nguyên tử vì vậy tính chất này được gọi là tính chất siêu thuận từ.Đường cong từ hoá siêu thuận từ cũng tuân theo hàm Langevin như trường hợp thuận từ Đường cong này có hai đặc điểm đó là: không phụ thuộc nhiệt độ và lực kháng từ Hc = 0, từ độ dư Mr = 0 nghĩa

là không có hiệu ứng trễ Điều này là hoàn toàn khác so với đường cong từ trễ sắt từ khi hạt có kích thước lớn Hình 1.1 diễn tả sự thay đổi đường cong từ hoá của vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm Trong giới hạn đơn domain khi kích thước hạt

giảm thì Hc giảm cho đến khi Hc = 0, kích thước tại đó Hc = 0 chính là giới hạn siêu thuận từ Hình 1.2 biểu diễn sự thay đổi của Hc khi đường kính hạt giảm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1 Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh (2006), Vật lý Chất rắn, NXB ĐHQG TPHCM

2 Lê Công Dưỡng (1997), Vật liệu học, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội

3 Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thanh Dung (2007), Chế tạo và nghiên

cứu tính chất các hạt nano Fe 3 O 4 ứng dụng trong y sinh học, Tạp chí Khoa học, Đại

học Quốc gia hà Nội

4 Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoàng Hải, Trần Mậu Danh (2005), Chế tạo và ứng

dụng hạt nano từ tính trong sinh học,Báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ IV,

Hà Nội

5 Lê Minh Hải (2008), Chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 bằng phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng bước đầu,Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

ĐHQGHN

6 Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Châu, Nguyễn Hoàng Lương, Nguyễn Thị Vân Anh,

Phan Tuấn Nghĩa, Mai Anh Tuấn (2007), Ứng dụng của hạt nano ôxit sắt từ để tách

chiết DNA, đếm tế bào bạch cầu và cải tiến quá trình xử lý nước nhiễm bẩn, Hội

nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5-Vũng Tàu 12-14/11/2007, tr 18

7 Nguyễn Thị Hiền (2007), Tổng hợp chất lỏng từ dùng làm chất tăng tính tương phản cho ánh cộng hưởng từ, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Cần Thơ

8 Nguyễn Đăng Phú (2007), Chế tạo hạt nano từ tính Fe 3 O 4 , SiO 2 / Fe 3 O 4 , nghiên cứu khả năng chống ôxi hóa của hạt nano từ tính SiO 2 / Fe 3 O 4 và ứng dụng hạt nano

ĐHKHTN-ĐHQGHN

9 Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội

10 Nguyễn Thị Thùy (2012),Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhằm ứng

dụng trong y - sinh,Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ

Tài liệu tiếng Anh

11 Buschow K., F.de Boer (2000), Physics of magnetism and magnetic material,

Der Universitat Duisburg

12.Chikazumi S., Physics of Ferromagnetism, Clarendon Press Oxford, 1997

13 Fojtík A, (2006), “Approach to nanostructure and nanotechnology”, Czech University

14 Hai, N.H., R Lemoine, S Remboldt, M Strand, J.E Shield, D Schmitter, R.H Kraus Jr., M Espy, and D.L Leslie-Pelecky, J Magn Magn Mater (2005), 293

15 Leslie P., D.L., V Labhasetwar, and J Kraus, R.H., Nanobiomagnetics, in

Advanced Magnetic Nanostructures, D.J Sellmyer and R.S Skomski, Editors 2005,

Kluwer: New York; Pankhurst, Q.A., J Connolly, S.K Jones, and J Dobson, J Phys D: Appl Phys., 36 (2003) R167

16.Liong S., A multifunctional approach to development, fabrication, and

charactierization of Fe 3 O 4 composite, PhD thesis, Georga institute of technology,

2005

17 Murday J S (2002), AMPTIAC Newsletter 6 (1), 5

18 Owen C.S, Magnetic cell sorting Cell Separation: Methods and Selected

Applications (New York: Academic, 1983)

19 Pitkethly M.J (2004), Nanotoday, 7

20 Rosensweig, R.E (1985), Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press

21 Salabas Elena – Lorena (2004), Structural and magnetic investigations of

magnetic, Duisburg

22 Shouheng Sun (2003), Monodisperse M.Fe2O4 (M=Fe, Co, Mn) Nanoparticles,

JACS articles

23 Tartaj, P., MoralesM.d.P., S Veintemillas-Verdaguer, T Gonzalez-Carreno, and

C.J Serna (2003), Appl Phys., 36 R182

24 Tebble R.S., Craik D.J (1969), Magnetic Materials, John Wiley and Sons Ltd