LUẬN văn sư PHẠM vật lý KHẢO sát ẢNH HƯỞNG của các TIỀN CHẤT lên KÍCH THƯỚC và từ TÍNH các hạt NANO fe3o4 được tạo THÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG kết tủa

TÓM TẮT LUẬN VĂNLuận văn này nghiên cứu phương pháp đồng kết tủa để tạo ra các hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 từ các nguyên vật liệu muối sắt III FeCl 3 và muối sắt II FeCl 2 dưới tác d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TIỀN CHẤT LÊN KÍCH

THƯỚC VÀ TỪ TÍNH CÁC HẠT NANO Fe3O4ĐƯỢC TẠO THÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

Luận văn Tốt nghiệpNgành: S ư ph ạ m V ậ t lý & Tin H ọ c

L ớ p: SP V ậ t Lý & Tin H ọ c

Mã s ố SV: 1080294

Cần Thơ-2012

LỜI CẢM ƠN



Lời đầu tiên tôi xin gửi cảm ơn sâu sắc nhất tới Cô giáo - Th.s TrầnYến Mi đã hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tà inghiên cứu này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến hai Thầy giáo - Th.s Lê VănNhạn và Th.s Nguyễn Trí Tuấn, luôn nhiệt tình giúp đỡ, định hướng và tạođiều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Ngoài ra, trong suốt thời gian làm thực nghi ệm tại Bộ môn Vật Khoa Khoa Học Tự Nhiên tôi cũng nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các

Lý-Thầy, Cô trong phòng thí nghiệm Xin chân thành cảm ơn

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đến quý Thầy, Cô thuộc Bộ

môn Sư Phạm Vật Lý- Khoa Sư Phạm đã giảng dạy tận tình cho tôi trong

suốt thời gian học tập vừa qua

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã cổ

vũ, động viên và luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi vượt qua khókhăn

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song do kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên chắc rằng đề tài không tránh khỏi sai sót Vì vậy, rất mong

được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô cùng các bạn để đề tài của tôi được hoàn chỉnh hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ , ngày 19/4/2012

Sinh viên

Lê Hoàng Lan Phương

MỤC LỤC

Danh mục bảng biểu iii

Danh mục các hình vẽ và đồ thị iv

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi

Tóm tắt luận văn vii

Lời mở đầu 1

Chương I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Giới thiệu tổng quan về vật liệu từ 3

1.2 Phân loại các vật liệu nano 5

1.3 Cơ chế từ tính của vật chất 6

1.3.1.Vật liệu nghịch từ 6

1.3.2 Vật liệu thuận từ 7

1.3.3 Vật liệu sắt từ 8

1.3.4 Vật liệu ferrite từ 10

1.3.5 Vật liệu phản sắt từ (phản ferrite) 11

1.4 Giới hạn đơn domain và c ơ chế từ tính của vật liệu nano 12

1.5 Tính chất siêu thuận từ 14

1.6 Oxit sắt từ Fe 3 O 4 19

1.6.1 Một số tính chất của oxit sắt từ Fe 3 O 4dạng thường 19

1.6.2 Oxit sắt từ Fe 3 O 4dạng nano 20

1.7 Một số phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 23

1.7.1 Phương pháp nghiền 23

1.7.2 Phương pháp thủy nhiệt 24

1.7.3 Phương pháp đồng kết tủa 24

1.8 Một số phương pháp dùng xác định thành phần, kích thước và từ tính hạt nano .27

1.8.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 27

1.8.2 Phương pháp ảnh SEM 28

1.8.3 Phương pháp VSM 28

Chương II ĐIỀU CHẾ HẠT NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 2.1 Quy trình điều chế 31

2.1.1 Mục đích 31

2.1.2 Hóa chất và dụng cụ 31

2.1.3 Phương án thí nghiệm 31

2.1.4 Sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe 3 O 4 33

2.2 Các phương pháp phân tích kết quả 34

Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Ảnh hưởng của hệ số đương lượng 35

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ các tiền chất 36

Chương IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 40

4.1 Kết luận và kết quả thực nghiệm 40

4.2 Giới thiệu ứng dụng “Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ” của ôxit sắt từ dạng nano trong y sinh học 40

4.2.1 Những lý do ứng dụng các hạt nano oxit sắt từ trong lĩnh vực y sinh học .40

4.2.2 Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ 41

4.3 Hướng phát triển của đề tài 45

HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại từ tính của vật liệu sắt từ (từ kích thước vĩ mô đến cấp độ phân

tử) 2

Bảng 1.2: Đường kính tới hạn gần đúng của một đơn domain hạt hình cầu có m ột

trục dị hướng của một số loại vật liệu xét tại nhiệt độ phòng 10

Bảng 1.3: Liệt kê các sản phẩm của phản ứng thủy phân của Fe2+ và Fe3+ 24

Bảng 2.1: Bảng phân bố nồng độ mol của các tiền chất trong mẫu, với hệ số

đương lượng R tương ứng 30

Bảng 3.1: Kích thước tinh thể được xác định từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu A,

B và C 34

Bảng 3.2: Số liệu từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu được được tổng hợp khi nồng

độ tiền chất thay đổi 37

Bảng 1: Bảng tóm tắt đơn vị từ tính theo hệ thống đo lường SI và hệ thống

đo lường CGS 47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

 ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay- Kỹ thuật sinh hóa phát hiện

kháng thể hay kháng nguyên trong mẫu xét nghiệm

 HCV: Hepatitis C virus - virut viêm gan C

 MRI : Magnetic resonance imaging - Ảnh cộng hưởng từ

 SEM : Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử quét

 TEM : Transmission electronic microscopy - Kính hiển vi điện tử truyền qua

 VSM : Vibrating Sample Magnetometer - Từ kế mẫu rung

 UTTBG : Ung thư tế bào gan

 H S : Từ trường bên ngoài cần thiết tạo ra hiện tượng bảo hòa từ.

 T: Nhiệt độ tuyệt đối (T=273 + t0C)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường bên ngoài (H) Từ

đó, tạo nên độ dốc của đồ thị M=f(H) chính là độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ (b) Chứng tỏ rằng độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ không phụ thuộc vào nhiệt

độ (T) của vật liệu .5

Hình 1.2: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường bên ngoài (H) Từ đó, tạo nên độ dốc dương của đồ thị M=f(H) chính là độ tự cảm (χ) của vật liệu thuận từ (b) độ từ cảm của vật liệu phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie 6

Hình 1.3: Đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu sắt từ 7

Hình 1.4: (a) Dạng trật tự ferrite từ, với O là các oxygen (b) Momen từ của các ion kim loại đã xuất hiện ở hình a .9

Hình 1.5: Lực kháng từ trong vật liệu sắt từ thay đổi khi vật liệu chuyển từ cấu trúc đa domain sang đơn domain Với một kích thước nhỏ hơn nhiều so với giới hạn đơn domain thì vật liệu sắt từ có tính siêu thuận t ừ Trong đó: Dsp: kích thước hạt siêu thuận từ; DC: kích thước hạt đơn domain 11

Hình 1.6: (a) mô tả một hạt có một trục dị hướng từ hợp với từ trường ngoài H một góc ; đồng thời hạt này có moment từ m hướng so với trục dễ từ hóa một góc  (b) cho thấy sự phụ thuộc vào góc của năng lượng dị hướng từ KV khi không có từ trường ngoài (đường liền nét) và khi từ trường ngoài nhỏ hơn lực kháng từ (đường đứt nét) .15

Hình 1.7: Dạng tự nhiên của Fe3O4 17

Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp 19

Hình 1.10: Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ 20

Hình 1.11: Phổ nhiễu xạ tia X chuẩn của oxide sắt từ Fe 3 O 4 .27

Hình 2.1: Sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe3O4 31

Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của ba mẫu A, B vàC với hệ số đương lượng tương

ứng 2, 3 và 4 33

Hình 3.1: Ảnh SEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của ba mẫu A, B và C tương

ứng với hệ số đương lượng 2, 3 và 4 Kích thước hạt trung bình trong ba mẫu tương đương nhau và nằm trong khoảng từ 18nm đến 22nm 35

Hình 3.3: Đường cong từ trễ của các mẫu A, B và C, với các hệ số đương lượng

tương ứng 2, 3 và 4 Từ độ bão hòa xấp xỉ của ba mẫu vào khoảng 62emu/g 35

Hình 3.4: Đồ thị tổng hợp của các mẫu A, D, E và F được xét trong điều kiện hệ số

đương lượng không đổi (R=2), nhưng nồng độ các tiền chất thay đổi Cụ thể, xét theo nồng độ của Fe 2+ thì giá trị tương ứng trong các mẫu A, D, E và F lần lượt là

0,2; 0,1; 0,05 và 0,025 .36

Hình 3.5: Đồ thị phân bố kích cỡ hạt của mẫu A và F có nồng độ mol Fe2+ tương

ứng là 0,1 và 0,025 Kích thước hạt trung bình trong hai mẫu từ 18nm đến 22nm 38

Hình 3.6: Đường cong từ trễ của các mẫu A, D, E và F tương ứng với nồng độ Fe 2+

lần lượt là 0,2; 0,1; 0,05 và 0,025 .39

Hình 4.1 : Mô tả cơ chế cộng hưởng từ hạt nhân (a) momen từ 

m của proton tuế

sai xung quanh từ trường 

B 0 (b) một từ trường xoay chiều có tần số bằng tần số tuế

sai của momen từ, từ đó làm cho moment từ 

m hướng theo phương của từ trường

xoay chiều (c) và (d) cho thấy sự hồi phục của quá trình hồi giãn dọc và hồi giãnngang sau khi tắt từ trường xoay chiều .45

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này nghiên cứu phương pháp đồng kết tủa để tạo ra các hạt nano

oxit sắt từ Fe 3 O 4 từ các nguyên vật liệu muối sắt III (FeCl 3 ) và muối sắt II (FeCl 2 ) dưới tác dụng của NaOH (thí nghiệm được thực hiện trong môi trường không khí và

nhiệt độ phòng), từ đó xác định ảnh hưởng của các tiền chất đối với sản phẩm tạothành

Luận văn gồm 4 chương:

Chương I Cơ sở lý thuyết

 Giới thiệu tổng quan về vật liệu từ

 Phân loại các vật liệu nano

 Sơ lược cơ chế từ tính của vật chất

 Giới hạn đơn domain và cơ chế từ tính của vật liệu nano

Chương II Điều chế hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4bằng phương pháp đồng kết tủa

 Quy trình điều chế

 Giới thiệu sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe 3 O 4

 Các phương pháp phân tích kết quả

Chương III Kết quả và thảo luận

 Ảnh hưởng của hệ số đương lượng

 Ảnh hưởng của nồng độ các tiền chất

Chương IV Kết luận và hướng phát triển của đề tài

 Kết luận và kết quả thực nghiệm

 Giới thiệu ứng dụng “Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ” của ôxitsắt từ dạng nano trong y sinh học

 Hướng phát triển của đề tài

HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Lời mở đầu

Có thể nói rằng công nghệ nano là công nghệ của thế kỷ 21 Thật vậy, ta có

thể bắt gặp cụm từ “nano” được liên tục nhắc đến trên một mẫu tin quảng cáo về

một sản phẩm mới nào đó hay trong một sự kiện mang tính chất quốc tế Số côngtrình khoa học nghiên cứu về nano tăng rất nhanh và đã đi vào ứng dụng trongnhiều lĩnh vực của đời sống Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các chuyên gia khoahọc và công ngh ệ trong và ngoài nước có th ể thực hiện công trình nghiên cứu mộtcách độc lập, Phòng thí nghiệm Nano hiện đại và lớn nhất nước ta được đưa vào sửdụng từ năm 2006 Vừa qua, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và Tậpđoàn Minatec (Cộng hòa Pháp) cũng đã phối hợp tổ chức hội nghị quốc tế lần 3 vềcông nghệ nano và ứng dụng (viết tắt là IWNA)

Tuy còn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, song công nghệ nano hứa hẹnkhông ít những ứng dụng thần kỳ Những sản phẩm thoát thai từ các nghiên cứu vềcông nghệ nano đang dần bước vào thị t rường như những thứ gây ngạc nhiên to lớn.Chúng mang các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, bền hơn hoặc thêmnhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các sản phẩm được chế tạo trên nền tảng côngnghệ hiện nay Chúng bao gồm đủ loại, từ sản phẩm điện tử đến mĩ phẩm, từ côngnghệ sinh học đến vật liệu xây dựng, từ chất xúc tác cho công nghệ sinh học đếnchất chống ô nhiễm cho động cơ diesel

Trong xu hướng phát triển của công nghệ nano, hạt sắt từ Fe 3 O 4 có kíchthước nano đang rất được quan tâm vì với kích thước nhỏ (cỡ nanomet và có cấutrúc đơn domain), vật liệu này thể hiện tính chất vật lý hoàn toàn khác so với khi ởtrạng thái thông thường, đó là tính chất siêu thuận từ Với kích thước nhỏ bé củamình, các hạt nano sắt từ dễ dàng thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể

và giúp cho chúng ta thao tác ở qui mô phân tử và tế bào Mặt khác, do tính tương

thích sinh học nên các hạt nano oxit sắt từ sớm được ứng dụng trong y học và pháttriển nhanh chóng trên các lĩnh vực chẩn đoán, điều trị, dược h ọc mà thành tựutiêu biểu là phương pháp tăng đ ộ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ (MagneticResonance Imaging - MRI) Nhờ thế, ảnh của cấu trúc các mô mềm trong cơ thểnhư tim, phổi, gan và các cơ quan khác rõ hơn và chi tiết hơn.

Có rất nhiều phương pháp điều chế vật liệu dạng nano song có thể chia thànhhai hướng:

 Từ nguyên liệu thô có kích thước to qua các quá trình vật lý tác động vào đểbiến vật liệu thô thành vật liệu nano

 Hình thành các hạt nano từ các tiền chất là hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ dạn gphân tử thông qua các quá trình hóa học

Hiện nay, việc chế tạo các hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 là một việc làm tất yếu

và cần thiết Do sự đơn giản về trang thiết bị và tính khả thi cao nên chế tạo hạt

nano từ Fe 3 O 4 theo nguyên tắc thứ hai đang được sử dụng rộng rãi Tiêu biểu chonguyên tắc này, không thể không kể đến phương pháp đồng kết tủa - một phươngpháp đơn giản, rẻ tiền phù hợp với tình hình nghiên cứu ở nhiều nơi như nước ta

Thông qua các tài liệu nghiên cứu liên quan đến việc tổng hợp các hạt nano

oxit sắt từ Fe 3 O 4 bằng phương pháp đồng kết tủa, dễ dàng nhận thấy rằng việc chếtạo bằng phương pháp này cũng tương đối phức tạp và đòi hỏi cao về môi trường thí

nghiệm Liệu rằng cũng với phương pháp tổng hợp các hạt nano oxid sắt từ Fe 3 O 4

bằng phương pháp đồng kết tủa nhưng với cách làm đơn giản trong điều kiện thínghiệm thông thường thì kết quả sẽ thế nào? Đó cũng chính là nhiệm vụ cốt lõi của

luận văn này Nó tập trung nghiên cứu : “ Khảo sát ảnh hưởng của các tiền chất

lên kích thước và từ t ính các hạt nano Fe 3 O 4 được tạo thành bằng phương pháp đồng kết tủa”.

Mục tiêu chính của đề tài này là: Chế tạo các hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 bằng

phương pháp đồng kết tủa từ các nguyên vật liệu m uối sắt III (FeCl 3) và muối sắt II

(FeCl 2 ) dưới tác dụng của NaOH (thí nghiệm được thực hiện trong môi trường

không khí và nhiệt độ phòng) từ đó xác định ảnh hưởng của các tiền chất đối vớisản phẩm tạo thành Ngoài ra, đề tài này cũng xin giới thiệu một ứng dụng tiêu biểu

của các hạt nano từ Fe 3 O 4 trong lĩnh vực y sinh học, đó là phương pháp tăng độtương phản cho ảnh cộng hưởng từ

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu tổng quan về vật liệu nano [6, 14]

Vào khoảng hai thập niên trước, các khái niệm liên quan đến “nano” bắt đầuxuất hiện như: hạt nano, cấu trúc nano, công nghệ nano, hóa học nano , theo đó làmột loạt các đề tài nghiên cứu đã tập trung vào vấn đề này Bên cạnh đó, các viện vàphòng nghiên cứu chuyên sâu về nano xuất hiện trên khắp thế giới, hàng loạt các hộinghị đã được tổ chức

Trong quá trình nghiên cứu về nano, các nhà khoa học đã không ngừng khámphá được các tính chất vật lý và hóa học không bình thường của đối tượng này Cáctính chất này đều liên quan đến các hiệu ứng kích thước lượng tử xuất hiện khi kích

thước của đối tượng vào cỡ bước sóng De-Brogli của electron, phonons hay sự lan

truyền exciton trong chúng Một lý do quan trọng dẫn đến sự thay đổi tính chất vật

lý và hóa học của các hạt có kích thước nhỏ là sự tăng lên của các nguyên tử bề mặt

so với một vật liệu khối cùng loại

Hiện nay, các tính chất vật lý của đối tượng nano ngày càng được nghiên cứusâu hơn Một trong các tính chất đó là từ tính Từ tính của vật liệu nano có nhiều đặcđiểm mới lạ và ưu việt hơn so với vật liệu khối Đặc biệt là từ độ (tính trên mộtnguyên tử) và dị hướng từ của các hạt nano

Chẳng hạn, ta có bảng phân loại từ tính của các vật liệu sắt từ theo sự thayđổi kích thước của chúng như sau [14]:

Bảng 1.1: Phân loại từ tính của vật liệu sắt từ (từ kích thước vĩ mô đến cấp độ phân

tử)

Đối tượng Kích thước Các tính chất từ đặc biệt

Mẫu khối  1 m Có độ từ hóa tự phát dưới nhiệt độ Curie

Mẫu vĩ mô 50-103nm Từ tính phụ thuộc mạnh mẽ vào lịch sử

của mẫu và phương pháp chế tạo mẫu

trạng thái siêu thuận từ

Trong vùng T B <T<T C, hạt có tổngmomenr từ bằng không, cùng lúc đó từ

độ tự phát và moment từ của hạt dễ dàngđịnh hướng theo từ trường bên ngoài

Tính chất từ của các hạt nano được xác định bởi một số yếu tố, trong đ ó cácyếu tố quan trọng gồm có: thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, kích thước và hìnhdạng của hạt, tính không đồng nhất giữa các hạt trong hệ, tương tác giữa các hạt vớinhau và với môi trường xung quanh Bằng cách thay đổi cấu trúc, kích thước, thành

phần và hình dạng của hạt ta có thể điều khiển từ tính của các loại vật liệu chứa hạtnano này Tuy nhiên, việc tổng hợp được các hạt nano có cùng thành phần hóa học

và hình dạng rất khó khăn nên các tính chất của vật liệu loại này rất có thể sẽ khácnhau

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực nano ngày càng

phát triển như vũ bão Điều này liên quan đến việc ra đời các phương pháp hiệu quả

để tổng hợp và ổn định kích thước hạt, cùng các phươ ng pháp khảo sát các hạt này

Ví dụ: Các nhà khoa học không những đã tạo ra kim loại có kích thước nanohay các hạt nano oxit dưới dạng chất lỏng từ (môi trường bao gồm các hạt nano từđược hòa lẫn trong một dung môi phù hợp), mà còn gồm các hạt có cấu trúc rắn(như polymer, zeolites ) Từ tính của loại vật liệu (bao gồm các hạt nano từ có kích

thước từ 3nm đến 10nm kết hợp với chất điện môi rắn không từ tính) được biết đến

từ năm 1980 Sự hiện diện của các hạt nano trong các vật liệu này và thành phần củachúng đã được ước lượng bằng phương pháp nhiễ u xạ tia X và phương pháp phổMössabauer

Hiện nay, các loại bột bao gồm các hạt có kích thước micro như: -Fe 2 O 3 , Co- -Fe 2 O 3 , Fe hay Fe-Co được dùng hầu hết trong các băng từ và đĩa từ Trong trường hợp này, việc thu thông tin của một bit đòi hỏi khoảng 10 9 nguyên tử, trong

khi đó với một vật liệu nano (chứa các hạt có kích thước khoảng 10nm) thì lại không cần đến 10 5 nguyên tử Do đó, việc dùng các vật liệu nano từ trong việc lưu

trữ thông tin sẽ làm tăng lượng thông tin lưu trữ khoảng 10 3 đến 10 4lần

Ngoài ra, các hạt nano từ tính rất phong phú trong tự nhiên và được tìm thấytrong một vài đối tượng sinh học Chúng cũng đang và sẽ là đối tượng được quantâm nhiều nhất trong các ứng dụng y sinh học

1.2 Phân loại các vật liệu nano [5, 6, 8]

Một đối tượng nano là một đối tượng vật lý có một vài tính chất hoàn toànkhác biệt so với một vật liệu khối tương ứng, và có ít nhất một chiều kích thước vào

cỡ nanomet (nhỏ hơn hay bằng 100nm).

Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến các đối tượng nano riêng l ẻ, cácvật liệu hay linh kiện được tạo ra từ các đối tượng này, và các quá trình diễn ratrong giới hạn kích thước nano

Các tính chất chủ yếu của vật liệu nano được qui định bởi các đối tượng nanotrong chúng Vật liệu nano được phân làm hai loại là: vật liệu nano và vật liệu cócác hạt phân tán

Một hạt nano được xem là một đối tượng nano giả không chiều khi kích

thước của nó theo các chiều khác nhau là bằng nhau, không lớn hơn 100nm và có

dạng hình cầu Các hạt nano về cơ bản có tính chất khác với các hạ t có kích thướclớn hơn nó Nếu trong các hạt nano có các nguyên tử (hay ion) sắp xếp trật tự thì gọi

Các đối tượng nano hai chiều bao gồm các cấu trúc phẳng như đĩa nano, cấutrúc màng mỏng từ, lớp nano từ Trong các đối tượng này, kích th ước hai chiều lớnhơn một chiều còn lại, nhưng vẫn trong giới hạn nanomet

1.3.1 Vật liệu nghịch từ

Nghịch từ là một tính chất cơ bản của mọi vật liệu mặc dù rất yếu, được hìnhthành do sự không kết hợp giữa các quỹ đạo nguyên tử khi vật chất được đặt trongmột từ trường ngoài Bản chất của hiện tượng nghịch từ là bao gồm các nguyên tửkhông có moment từ (tất cả các lớp vỏ điện tử đều được lắp đầy và không có các

electron kết cặp) Tuy nhiên, khi đặt vật liệu nghịch từ vào một từ trường ( H) thì từ

độ (M) âm được tạo ra và từ đó độ cảm từ (χ) của vật liệu cũng có giá trị âm.

Đối với chất nghịch từ, khi từ trường bên ngoài bằng 0 thì từ độ bằng 0 và độ

từ cảm không phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 1.1 cho thấy sự phụ thuộc của từ độtheo từ trường ngoài và tính chất không phụ thuộc nhiệt độ của độ từ cảm của vậtliệu nghịch từ

Hình 1.1: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ

trường bên ngoài (H) Từ đó, tạo nên độ dốc của đồ thị

Đối với vật liệu từ tính này, một vài nguyên tử hay ion trong vật liệu cómoment từ do các electron không kết cặp trong một phần các quỹ đạo được lắp đầy.Một trong các nguyên tử quan trọng không có các electron kết cặp là kim loại Tu ynhiên, các moment từ đơn không tương tác từ với nhau, và giống như một chấtnghịch từ , từ độ bằng không khi không có từ trường bên ngoài Khi có từ trườngngoài thì có một phần liên kết của các momen t từ nguyên tử theo hướng của từtrường, từ đó tạo nên một từ độ dương và độ từ cảm dương.

Thêm vào đó, do ảnh hưởng của từ trường bên ngoài nên năng lượng cầnthiết để giúp các moment từ nguyên tử sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài đãthắng năng lượng dao động nhiệt của các moment từ Điều này tạo nên sự phụ thuộccủa độ từ cảm vào nhiệt độ theo định luật Curie

Hình 1.2: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường

bên ngoài (H) Từ đó, tạo nên độ dốc dương của đồ thị M=f(H)

chính là độ tự cảm (χ) của vật liệu thuận từ, (b) độ từ cảm của vật

liệu phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie

(a)M

Chú ý: Ở nhiệt độ bình thường và từ trường vừa phải, độ từ cảm thuận từ là

nhỏ Nhưng với nhiệt độ quá thấp (<<100K) hay từ trường quá lớn, thì độ từ cảm

thuận từ sẽ phụ thuộc vào từ trường b ên ngoài Ngoài những trường hợp này thì độ

từ cảm thuận từ tỉ lệ với tổng lượng nguyên tử kim loại trong vật liệu Một vài chấtthuận từ ở nhiệt độ phòng

1.3.3 Vật liệu sắt từ

Không giống như các vật liệu thuận từ, các moment từ nguyên tử trong vậtliệu này tương tác với nhau rất mạnh Đây chính là các tương tác trao đổi giữa cácelectron, từ đó tạo một sự sắp xếp cùng hướng hay ngược hướng của các momen t từnguyên tử Tương tác trao đổi giữa các nguyên tử là rất lớn, tương đương với mộ t từ

trường có cường độ khoảng 1000T, lớn hơn 1000 lần so với từ trường của Trái Đất.

Tương tác trao đổi là một hiện tượng lượng tử do sự định hướng tương đốigiữa các spin giữa hai electron, từ đó tạo nên sự tồn tại của trật tự từ nguyên tử

Một số đặc điểm chính của vật liệu sắt từ

 Từ độ tự phát

Từ độ tự phát là từ độ tồn tại bên trong một đối tượng vi mô và có từ tính

đồng nhất khi không có từ trường ngoài Cường độ của tự độ tự phát ở 0K phụ thuộc

vào moment từ spin của các electron

 Nhiệt độ Curie

Mặc dù tương tác trao đổi giữa các electron trong vật liệu sắt từ là rất lớn,nhưng năng lượng nhiệt vẫn có thể lớn hơn năng lượng trao đổi và tạo nên một hiệuứng ngẫu nhiên Điều này xảy ra tại một nhiệt độ rất đặc biệt mà ta gọi là nhiệt độ

Curie (T C ) Dưới nhiệt độ này các moment từ trong chất sắt từ sắp xếp trật tự, nhưng

trên nhiệt độ này thì chúng lại mất trật tự Từ độ bảo hòa sẽ bằng 0 khi nhiệt độ của

hệ là T C

Lưu ý: Nhiệt độ Curie cũng là một thuộc tính của chất sắt từ Tuy nhiên,

những chất sắt từ khác nhau đôi lúc lại có cùng một giá trị T C

Hình 1.3: Đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu sắt từ

Một số tham số của đường cong từ trễ, bao gồm:

 Từ độ bảo hòa (M S hay I S)

Từ độ bảo hòa là giá trị từ độ đạt được khi chất sắt từ được từ hóa đến từtrường đủ lớn (vượt qua giá trị trườ ng dị hướng) sao cho vật ở tr ạng thái bảo hòa từ.Lúc này, các moment từ hoàn toàn song song với nhau và phần đường cong từ trễ códạng nằm ngang

H M

Từ độ bảo hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ Nếu ở không độ tuyệt

đối (0K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ.

Từ độ bảo hòa thường được ký hiệu là M S hay I S

 Từ dư (M r hay I r)

Từ dư là giá trị từ độ còn giữ đượ c khi ngắt từ trường (H=0) thường được ký hiệu là M r hay I r Nó không phải là thông số mang tính nội tại của vật liệu mà chỉ làthông số dẫn xuất, phụ thuộc vào cơ chế từ trễ, các phương từ hóa, hình dạng vậttừ…

Lưu ý: Tỷ số giữa từ dư và từ độ b ảo hòa M I /M S được gọi là từ độ rút gọn

hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ (giá trị M I /M S càng gần 1 thì đường cong

từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật) Biên độ dao động của từ trường ngoài khácnhau sẽ tạo ra các đường cong từ trễ khác nhau

 Lực kháng từ (H C)

Lực kháng từ là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa.Cũng giống như từ dư, nó không phải là tham số nội tại của vật liệu

Ký hiệu: H C

 Tổn hao năng lượng trễ

Tổn hao năng lượng trễ tỷ lệ với diện tích đường cong từ trễ, là nănglượng tiêu tốn cần thiết cho một chu trình từ trễ, có đơn vị của mật độ năng lượng

Hình 1.4: (a) Dạng trật tự ferrite từ, với O là các oxygen

(b) Moment từ của các ion kim loại đã xuất hiện ở hình (a)

Cấu trúc ferrite từ là hỗn hợp giữa hai mạng từ ( gọi là mạng A và mạng B )được chia cắt bởi các oxygen Các tương tác trao đổi giữa hai mạng này được thựchiện thông qua các anion oxygen Các tương tác này được gọi là tương tác gián tiếphay tương tác siêu trao đổi Tương tác siêu tr ao đổi mạnh nhất tạo ra cấu trúc phảnsong song của các spin giữa hai mạng A và B

Trong các vật liệu từ, moment từ của mạng A và B không bằng nhau nên tạo

ra moment từ cho cả hệ khác không Vì thế, hiện tượng ferrite từ giống như hiệntượng sắt từ Hiện tượng ferrite từ có tất cả các đặc trưng của hiện tượng sắt từ, như

từ độ tự phát, nhiệt độ Curie, hiện tượng từ trễ và từ dư Tuy nhiên, hai hiện tượngnày khác nhau ở vấn đề trật tự từ

1.3.5 Vật liệu phản sắt từ (phản ferrite)

(a)

(b)Ferrite từ

Nếu moment từ của nhóm A và B bằng nhau và ngược nhau về hướng,thì khi đó moment từ tổng hợp của vật liệu từ bằng 0 Loại vật liệu từ này đượcgọi là phản ferrite từ.

1.4 Giới hạn đơn domain và cơ chế từ tính của vật liệu nano [6]

Năm 1930, Frenkel và Dorfman phát hiện ra rằng trên cơ sở xem xét nănglượng thì các hạt có kích thước đ ủ nhỏ sẽ trở thành một đơn domain [15] Khoảnggiữa thế kỷ XX, lý thuyết về các hạt đơn domain bắt đầu phát triển và các hiệntượng liên quan được nghiên cứu dựa vào thực nghiệm Những nghiên c ứu nàykhẳng định lực kháng từ tăng lên khi một đối tượng sắt từ bắt đầu chuyển từ cấutrúc đơn domain sang cấu trúc đa domain Kết quả kích thước giới hạn đơn domain

của một số loại vật liệu từ khác nhau được trình bày trong bảng 1.2 Nếu kích thước

đơn domain của chúng bằng những giá trị này thì lực kháng từ là lớn nhất, và chúng

sẽ không còn có tính siêu thuận từ

Bảng 1.2: Đường kính tới hạn gần đúng của một đơn domain hạt hình cầu có

một trục dị hướng của một số loại vật liệu xét tại nhiệt độ phòng

Vật liệu Đường kính tới hạn gần đúng (nm)

Muốn các đối tượng này có tính siêu thuận từ thì kích thước đơn domain phảinhỏ hơn nhiều so với giá trị giới hạn này (Hình 1.5)

Hình 1.5: Lực kháng từ trong vật liệu sắt từ thay đổi khi vật liệu chuyển từ

cấu trúc đa domain sang đơn domain Với một kích thước nhỏ hơn nhiều sovới giới hạn đơn domain thì vật liệu sắt từ có tính siêu thuận từ Trong đó

Dsp là kích thước hạt siêu thuận từ; DC là kích thước hạt đơn domain

Các kích thước tới hạn đơn domain trên được tính toán cho các hạt hình cầu

có một trục dị hướng từ Đối với những loại dị hướng từ khác (như dị hướng hìnhkhối, hình lục giác ) và các hạt có hình dạng khác nhau thì giá trị trên bị thay đổi.Đặc biệt, một số hạt có thể trở thành đơn domain mà không cần giảm kích thướcnếu nó có dạng khác hình cầu, ví dụ như có dạng hình elip thuôn Xác định bằngthực nghiệm các kích thước trên là một điều khó khăn, mặc d ù cho đến bây giờ ta cóthể quan sát sự chuyển đổi này thông qua kính hiển vi điện tử truyền qua hay giaothoa kế lượng tử từ (-SQUID)

Một cách chính xác, khái niệm đơn domain không nói về sự đồng nhất của từtrường trong toàn bộ hạt mà chỉ muốn nhấn mạ nh sự biến mất của các vách domain

Lực

kháng từ

H C

Dsp DC Đường kính hạt D Đơn domain Đa domain

Siêu thuận từ

Thêm vào đó, hạt đơn domain không nhất thiết phải là một hạt nhỏ mà là một hạt cócác đặc điểm từ tính đặc biệt Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng một hạt

có kích thước lớn hơn giới hạn nanomet đôi khi vẫn được x em là đơn domain (mặc

dù còn tính chất vật lý của một vật liệu khối) Các tính chất đặc biệt của hạt nano từbắt đầu trở nên rõ ràng khi kích thước của chúng nhỏ hơn “giới hạn đơn domain”

Cần lưu ý rằng dấu hiệu thay đổi các đặc tính vật lý quan trọng của một vậtliệu khối xuất hiện khi kích thước của hạt giảm đến một mức nào đó sao cho tỉ số

nguyên tử bề mặt với tổng số nguyên tử của hạt xấp xỉ 0.5 (tỉ số này càng cao thì tính chất thay đổi càng rõ rệt).

Giả sử: Nếu lớp bề mặt của hạt dày r (thông số nhược điểm); trong hạt này

có số lượng các liên kết trao đổi ít hơn hai lần so với vật liệu khối và nhiệt độ Curie

tỉ lệ trực tiếp với mật độ khối của liên kết trao đổi Nikolave và Shipilin đã phân tích

sự phụ thuộc của T C vào kích thước của hạt và kết quả cho thấy rằng r tỉ lệ nghịch

với bán kính hạt r Đặc biệt, đối với hạt magnetite khi r  20nm thì r  0 (trong

khi đó thì bán kính đơn domain tới hạn của hạt nano của magnetite Fe 3 O 4 là khoảng 70nm) và khi r=2,5nm thì r ~ 0,5nm Vậy, khi bán kính của hạt giảm thì

thông số r tăng Do đó, nếu kích thước của hạt magnetite càng nhỏ thì r sẽ tăng

lên và tạo nên các tính chất mới của vật liệu so với các đặc tính thông thường khivật liệu ở dạng khối

1.5 Tính chất siêu thuận từ [5, 6, 8, 14]

Một tính chất đáng chú ý nữa của hạt nano từ là tính chất siêu thuận từ Đây

là một phát hiện bằng thực nghiệm vào khoảng giữa thế kỷ XX

Khi moment từ của hạt càng lớn thì từ trường bên ngoài cần thiết H S để tạo rahiện tượng bảo hòa từ là càng nhỏ[14] Một cách gần đúng, giá trị của H S có thểđược ước lượng bằng công thức:

m ef H S ≈ k B T (1.1)

Với m ef là moment từ hiệu dụng của hạt

Ví dụ: Chất thuận từ Gd (SO 4 ) 3 H 2 O có moment từ hiệu dụng của ion Gd 3+ là

7  B Vì thế, giá trị HSở nhiệt độ phòng là H S ≈ 300k B /7 ≈ 10 6 Oe.

Đối với hạt có moment từ khoảng 10 4  B thì từ độ bảo hòa sẽ giảm và vào

cỡ 10 3 Oe.

Hiện tượng tương ứn g với đường cong thể hiện sự bảo hòa từ trong một từ

trường thấp khoảng 1kOe được gọi là siêu thuận từ, và một vật tồn tại tính chất này

được gọi là vật liệu siêu thuận từ

Nói một cách chính xác, siêu thuận từ là một hiện tượng từ xuất hiện trong

các vật liệu từ có kích thước nano ( từ 3nm đến 50nm, tùy theo từng loại vật liệu ).

Khi đó, vectơ từ độ của hạt nano từ chính là tổng các momen t từ của từng nguyên tửtrong hạt nano đó Với một kích thước nano đủ nhỏ, vectơ từ độ của vật liệu sắt từ

có thể lật theo các hướng ngẫu nhiên dưới ảnh hưởng của nhiệt độ ( với thời gian đặc

trưng giữa hai lần lật được gọi là thời gian hồi phục Neél) Khi không có từ trường

bên ngoài và thời gian đo độ từ hóa của các hạt nano từ lớn hơn thời gian hồi phụcNeél thì từ độ trung bình của hạt nano bằng không, ta nói rằng các hạt nano nàyđang ở trạng thái siêu thuận từ Ở trạng thái này, từ trường bên ngoài có thể từ hóahạt giống như một vật liệu thuận từ Tuy nhiên, độ từ cảm của các hạt nano sắt từ lạilớn hơn nhiều so với một vật liệu thuận từ

Thông thường một vật liệu sắt từ sẽ mang tính thuận từ khi nhiệt độ của nólớn hơn nhiệt độ Curie đặc trưng cho vật liệu đó Tuy nhiên, hiện tượng siêu thuận

từ lại xuất hiện khi nhiệt độ của vật liệu nhỏ hơn nhiệt độ Curie của chính vật liệuđó

Năm 1949, Neél đã đưa ra giả thuyết rằng mỗi hạt nano hình thành bởi cácspin sắp xếp thẳng hàng và cố định, các spin này sẽ quay khi sự từ hóa bị đảo ngược

(xét trong trường hợp các hạt có trục dị hướng từ và năng lượng dị hướng từ lớn

hơn năng lượng dao động nhiệt của hệ ) [6] Với cách xem trạng thái chuyển động

của các spin này giống như một con quay hồi chuyển, Neél xây dựng nên biểu thức

cho thời gian hồi phục τ như là hàm của hệ số hồi chuyển (hằng số từ giảo dọc ),

Young modulus, năng lượng dị hướng từ và năng lượng nhiệt Ông ước lượng τ có giá trị đặc trưng vào khoảng 10 -10 s (phù hợp với các số liệu thực nghiệm).

Khi kích thước của một hạt được tạo bởi các nguyên tử từ đủ nhỏ thì nănglượng cần thiết để p hân chia hạt này thành các domain từ sẽ lớn hơn năng lượng cần

thiết để giữ hạt này là một domain từ ( hay còn gọi là domain từ đồng nhất) Các

tính chất từ của một hệ bao gồm các hạt đơn domain được nghiên cứu trong khuônkhổ lý thuyết siêu thuận từ

Giả thiết đầu tiên của thuyết siêu thuận từ là: Xem tất cả các moment từ trong một hạt quay đồng nhất có nghĩa là coi như tổng moment từ của một hạt nano được

đặc trưng bằng một vectơ có độ lớn:

Với mat: là moment từ của một nguyên tử và N là tổng số nguyên tử từ trongmột hạt

Tiếp đến, thuyết chỉ xét một trục dị hướng từ hiệu dụng có hằng số dị hường

từ K, từ đó dẫn đến khái niệm năng lượng dị hướng từ ( đối với vectơ từ độ ) tỉ lệ với

KV, với V là thể tích của một hạt Tuy nhiên, cần lưu ý là đối với hệ bao gồm các hạt

siêu nhỏ thì hiệu ứng bề mặt rất quan trọng Trong trường hợp này, sự hồi phục về

từ không diễn ra bởi sự quay đồng nhất của các spin trong một hạt Ảnh hưởng của

bề mặt hạt sẽ được khảo sát trong một trường hợp khác

Đối với hạt đơn domain có trục dị hướng từ, năng lượng từ được tính theocông thức sau:

E B = KV sin 2  - Hcos(- ) (1.3)

Với : là góc hợp bởi phương từ trường ngoài và trục dị hướng của hạt

: là góc hợp bởi phương momen t từ của hạt (khi có từ trường ngoài) và

trục dị hướng từ

KV: là năng lượng dị hướng từ, dùng ph ân cách hai trạng thái cân bằng từ

của moment từ khi không có từ trường ngoài áp vào ứng với trường hợp

=0; =  Nếu không có ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài thì

moment từ của hạt có thể ở một trong hai trạng thái cân bằng này

H: là từ trường bên n goài áp vào hạt.

- Sự hồi phục của vectơ từ độ của các hạt nano từ này được miêu tả qua địnhluật Arrhenius:

M (t) =M 0 exp (- t

Với M 0 : là vectơ từ độ ban đầu

τ: là thời hồi phục đặc trưng.

- Thời gian hồi phục là một hàm của năng lượng dị hướng từ và nhiệt độ:

τ=τ 0 exp ( E B

Với k B : là hằng số Boltzmann.

τ 0: tỉ lệ nghịch với tần số dao động của moment từ của một hạt giữa hai

trạng thái dễ từ hóa ngược chiều nhau Lý thuyết ước lượng τ 0có giá trị

trong khoảng 10 -9 đến 10 -10 s.

Hình 1.6: (a) mô tả một hạt có một trục dị hướng từ hợp với từ trường

ngoài H một góc ; đồng thời hạt này có moment từ m hướng so với

trục dễ từ hóa một góc (b) cho thấy sự phụ thuộc vào góc của năng

lượng dị hướng từ KV khi không có từ trường ngoài (đường liền nét) và

khi từ trường ngoài nhỏ hơn lực kháng từ (đường đứt nét)

m

Khi có từ trường ngoài, tổng năng lượng dị hướng từ của hệ hạt được tính

theo công thức (1.3), khi đó năng lượng dị hướng từ có giá trị nhỏ hơn KV.

Vậy trong một hệ bao gồm các hạt nano, từ tính phụ thuộc chủ yếu vào sự

chênh lệch giữa khoảng thời gian đo đạc τ m và thời gian hồi phục τ của chính hệ đó (hay nói cách khác là có liên quan đến năng lượng dị hướng từ) Giá trị τ m có thể

thay đổi trong một khoảng lớn từ 100s đến 10 -8 s.

Nếu τ m >>τ thì sự hồi phục xem như diễn ra rất nhanh và vectơ từ độ của hệ

nhanh chóng trở về trạng thái cân bằng nhiệt động Lúc này, ta nói các hạt nano từđang ở trạng thái siêu thuận từ

Ngược lại, nếu τ m <<τ thì tiến trình hồi phục của vectơ từ độ của hệ xem như

diễn ra rất chậm, khi đó ta quan sát được các tính chất chuẩn tĩnh của một hệ trật tự

từ sinh ra Trang thái này của hệ các hạt nano được gọi là trạng thái khóa (tương tựtrạng thái sắt từ) Nhiệt độ chuyển pha giữa trạng thái siêu thuận từ và trạng thái

khóa gọi là nhiệt độ Blocking T B Lưu ý, T B phụ thuộc vào thời gian đo và tỉ lệ với

năng lượng dị hướng từ, do đó T B tăng khi kích thước của hạt nano tăng

Xét một thể tích tới hạn Vcrit tại một nhiệt độ xác định T 0 , cho τ m =τ , theo

V crit ≈ 25k B T

Vì thế, thể tích tới hạn trong hiện tượng siêu thuận từ tỉ lệ trực tiếp với nhiệt

độ Khi nhiệt độ cao, với một giá trị tới hạn về thể tích, các hạt có thể tích nhỏ hơnđều ở trạng thái siêu thuận từ, hay nói cách khác, trong một hệ có sự phân bố kíchthước hạt; khi nhiệt độ của hệ càng tăng thì càng có nhiều hạt mang tính siêu thuậntừ

T B ≈ KV

Công thức (1.10) cho thấy rằng nhiệt độ T B của hệ tỉ lệ với thể tích của hạt vàhằng số dị hướng từ của chính hệ đó Hay nói cách khác, các hạt có kích thước cànglớn thì càng dễ dàng chuyển về trạng thái siêu thuận từ nếu nhiệt độ của hệ càngcao

Cách tiếp cận như trên tương đối đơn giả n, với những hệ thực cụ thể thì có

những cách giải quyết khác nhau, chẳng hạn như đối với hệ có T=0K (đây là hệ bao

gồm các hạt nano từ có momen từ không dao động, theo mô hình của Stoner

Wohfart) hay T>>T B (các hạt nano từ trong hệ này hoàn toàn mang tính siêu thuận từ) Nếu ta xét tương tác từ giữa các hạt với nhau thì sẽ phức tạp hơn.

Tóm lại, đối với các hạt nano bề mặt dị hướng từ đóng một vai trò quan trọng

[13]

Không giống như các loại dị hướng từ khác, dị hướng bề mặt tỉ lệ với diện tích

bề mặt S của hạt hơn là tỉ lệ với thể tích V của hạt Dị hướng bề mặt xuất hiện do sự

vi phạm đối xứng của chính cấu trúc hạt và sự thay đổi của trường tinh thể (trườngtinh thể tác động lên các ion từ định xứ trên bề mặt) Dị hướng theo một trục là dạngđơn giản nhất của dị hướng từ vì có liên quan đến các tính chất đối xứng

1.6 Oxit sắt từ Fe 3 O 4[6, 7,9]

1.6.1 Một số tính chất của oxit sắt từ Fe 3 O 4dạng thường

Công thức: Fe 3 O 4 hay FeO.Fe 2 O 3

Tên gọi: Ferrosoferric Oxide; Ferric ferrous Oxide; tri iron tetraoxide; blackiron oxide; magnetic iron oxide; Ethiops iron; Magnetite; Oxit sắt từ.

Thành phần: Fe: 72.36%; O: 27.64

Trong đó thành phần Fe 2+ : 24,2% và Fe 3+ : 48,24%

 Tính chất vật lý

Dạng tinh thể lập phương hay bột vô định hình, màu đen

Là thành phần chủ yếu trong quặng Magnhetite

Không tan trong nước và các dung môi hữu cơ Tan được trong dung dịchaxit loãng (chậm) Không tan trong dung dịch kiềm

Bị oxy hóa chậm trong không khí và chuyển dần sang dạng Fe 2 O 3 có màunâu đỏ

Khối lượng riêng: d = 5,2

Nhiệt độ nóng chảy: 1538 C

 Tính chất hóa học

Fe 3 O 4 là một oxit kim loại hỗn hợp gồm 2 loại: FeO và Fe 2 O 3 nên

thể hiện tính chất đồng thời của Fe 2+ và Fe 3+.Tuy nhiên, do tính tan của Fe3O4kém nên chỉ thể hiện hoạt tính khi hòa tan thành ion bởi axit

Hình 1.7: Dạng tự nhiên của Fe3O4

Fe 3 O 4 cũng tác dụng với oxy: trong không khí phản ứng xảy ra chậm,trong dung dịch hay nhiệt độ cao xảy ra nhanh hơn Oxy trong không khí oxy

hóa Fe 2+Fe 3+

1.6.2 Oxit sắt từ Fe 3 O 4dạng nano

Trong tự nhiên, sắt ( Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhi ệt độ

phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môitrường không khí nên các vật liệu oxit sắt từ được nghiên cứu rất nhiều để làm hạtnano từ

Hạt nano từ ứng dụng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau:

 Tính đồng nhất của các hạt cao: tính đồng nhất về kích thước có liên quanđến phương pháp chế tạo

 Từ độ bão hòa lớn: phụ thuộc vào kích thước hạt, bản chất hạt, lớp phủ

 Vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính): tính tương hợp sinhhọc liê n quan đến bản chất của vật liệu

 Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe

3 O 4)[6, 9]

Sắt từ Fe 3 O 4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe 2 O 3 có cấu trúc tinh thể spinelnghịch, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferrite Công thức chung của ferrrite là

MO.Fe 2 O 3 , với M có thể là Fe, Ni, Co Các ferrite thường có cấu trúc spinel thuận

hoặc spinel nghịch Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những ion hóatrị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện Cấu

trúc spinel nghịch được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe 3+ ở vị trí tứ diện, một

nửa số ion Fe 3+ còn lại và tất cả ion Fe 2+ ở vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có 6

ion O 2- lân cận nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ

diện có 4 ion O 2-lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện

Oxit sắt từ Fe 3 O 4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị lập phương

tâm mặt Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O 2- , 16 cation Fe 3+ , 8 cation Fe 2+