Vật liệu từ
Mọi vật liệu đều phản ứng với từ trường bên ngoài (H), được thể hiện qua độ từ hóa (M) Tỷ số χ = M/H được gọi là độ cảm từ, và tùy thuộc vào giá trị của nó, độ cảm từ có thể phân loại thành các loại vật liệu từ khác nhau Vật liệu có χ khác nhau sẽ có những đặc tính từ tính riêng biệt.
Vật liệu từ được phân loại thành hai loại chính: vật liệu nghịch từ với độ cảm từ χ < 0 và vật liệu thuận từ với χ > 0 Những vật liệu có giá trị χ lớn hơn 0 có thể là vật liệu sắt từ hoặc ferri từ Để xác định tính chất của vật liệu từ, ngoài độ cảm từ, còn có các thông số quan trọng khác như từ độ bão hòa, từ dư và lực kháng từ Từ độ bão hòa là giá trị tối đa của từ độ đạt được tại từ trường lớn, trong khi từ dư là từ độ còn lại sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài Lực kháng từ là từ trường cần thiết để khử từ một hệ đã đạt trạng thái bão hòa.
Khi kích thước hạt giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định (thường từ vài đến vài chục nanô mét), tính chất sắt từ và ferri từ biến mất, dẫn đến việc vật liệu trở thành siêu thuận từ Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, có nghĩa là khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng y sinh học Hạt nanô từ tính trong y sinh học cần đáp ứng ba tiêu chí: tính đồng nhất cao, từ độ bão hòa lớn và tính tương hợp sinh học (không độc tính).
Tính chất từ thước của vật liệu liên quan mật thiết đến phương pháp chế tạo, trong khi độ bão hòa và tính tương hợp sinh học phản ánh bản chất của vật liệu Sắt (Fe) là nguyên liệu có từ độ bão hòa lớn nhất ở nhiệt độ phòng, không độc hại cho cơ thể con người và ổn định khi làm việc trong môi trường không khí Do đó, các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu nhiều để phát triển hạt nano từ tính.
Chế tạo hạt nano từ tính
Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển sớm nhằm chế tạo chất lỏng từ cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ và dẫn nhiệt trong loa công suất cao Trong các nghiên cứu đầu tiên, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane) để dễ dàng hơn trong quá trình nghiền và ngăn chặn hiện tượng kết tụ hạt Sau khi nghiền, sản phẩm cần trải qua quá trình phân tách hạt phức tạp để đạt được kích thước đồng nhất Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và cho phép sản xuất vật liệu với khối lượng lớn, trong khi việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không làm ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo.
Phương pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát quá trình hình thành hạt nano, dẫn đến tính đồng nhất của các hạt không cao Chất lỏng được tạo ra từ phương pháp này thường được ứng dụng trong lĩnh vực vật lý.
Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo hạt nano đã được phát triển từ lâu và có khả năng tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất cao, rất phù hợp cho nhiều ứng dụng sinh học Nguyên tắc của phương pháp này là kết tủa từ dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi hóa chất ban đầu phân rã.
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ chất đạt đến trạng thái bão hòa tới hạn, sẽ xuất hiện những mầm kết một cách đột ngột trong dung dịch.
Các mầm kết tụ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán vật chất từ dung dịch lên bề mặt của chúng, cho đến khi hình thành hạt nano Để đạt được độ đồng nhất cao cho hạt, cần phân tách rõ ràng hai giai đoạn: hình thành mầm và phát triển mầm Trong giai đoạn phát triển mầm, việc hạn chế sự hình thành mầm mới là rất quan trọng.
Các phương pháp kết tủa từ dung dịch bao gồm đồng kết tủa, nhũ tương, polyol và phân ly nhiệt Trong đó, phương pháp đồng kết tủa được sử dụng phổ biến để tạo hạt ô-xít sắt, với kích thước hạt từ 4-15 nm và điện tích bề mặt được điều chỉnh bởi pH và ion trong dung dịch Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp hiệu quả, giúp tạo ra hạt nano đồng nhất với kích thước từ 4-12 nm nhờ sự bẫy của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong dầu Phương pháp này còn cho phép chế tạo hạt ô-xít sắt được phủ vàng để ngăn ngừa ô-xi hóa và nâng cao tính tương hợp sinh học Polyol là một lựa chọn khác để tạo hạt nano kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, và Fe, với hạt nano được hình thành từ dung dịch muối kim loại chứa polyol, giúp kiểm soát hình dạng và kích thước Cuối cùng, phân ly nhiệt với sự có mặt của chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao cải thiện chất lượng hạt nano chứa sắt.
Phương pháp tạo hạt từ thể hơi sử dụng nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser là những kỹ thuật hiệu quả để sản xuất trực tiếp và liên tục các hạt nano từ tính.
Sự khác biệt giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và nhiệt phân laser nằm ở trạng thái cuối cùng của vật liệu Trong phương pháp nhiệt phân bụi hơi, hạt nano thường kết tụ thành từng đám, trong khi ở phương pháp nhiệt phân laser, hạt nano không bị kết tụ Nhiệt phân bụi hơi hoạt động bằng cách phun dung dịch vào chuỗi bình phản ứng, nơi chất lỏng bốc bay và chất rắn ngưng tụ, tạo ra chất rắn xốp Ngược lại, phương pháp nhiệt phân laser sử dụng laser CO2 để khởi động và duy trì phản ứng hóa học, dẫn đến sự hình thành hạt nano rất nhỏ, đồng nhất và không bị kết tụ khi áp suất và năng lượng laser đạt ngưỡng nhất định.
Lịch sử phát triển và triển vọng tương lai của vật liệu nano từ
Điểm qua một số cột mốc thời gian quan trọng:
1960s: Pappell (lần đầu tạo ra chất lỏng từ)
Năm 1962, Lowenstam đã sử dụng phương pháp sinh hóa để phát hiện ra magnetite, một vật liệu có tính chất từ, được sử dụng làm lớp bọc rìa răng của con sam, một động vật biển thân mềm thuộc lớp Polyplacophora.
1966: Điều chỉnh huyết khối bằng từ trường bệnh nhân phình động mạch chủ
1970s: nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ từ - sinh học (biomagnetic)
1975: Blakemore (công bố công trình nghiên cứu vi khuẩn có chứa từ tính)
1980: Massart (tổng hợp hóa học chất sắt từ không sử dụng detergent) 1980s: chế tạo thương mại các hạt từ
Thuật ngữ hạt nano (nanoparticle) mô tả các hệ hạt kích thước nhỏ hơn
500 nm, thường là dưới 100 nm
Các hạt nano biểu hiện tính chất từ mới bao gồm:
Gia tăng chất lượng cộng hưởng từ (MRI)
Nâng nhiệt cục bộ điều trị tế bào ác tính
Phân phối thuốc theo mục tiêu
Thực hiện thao tác trên màng tế bào
Hiệu ứng bề mặt là yếu tố then chốt trong các quá trình hóa-lý, đặc biệt đối với vật liệu xúc tác Các liên kết hở của nguyên tử trên bề mặt không bền vững và dễ dàng tham gia vào phản ứng với các chất khác khi có điều kiện thích hợp Sự tương tác giữa bề mặt hạt và môi trường xung quanh thúc đẩy hiệu ứng xúc tác hiệu quả.
Một xu hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano hiện nay là thụ động hóa các trạng thái bề mặt để giảm thiểu tác động tiêu cực đến hiệu suất sử dụng Điều này đặc biệt quan trọng trong việc phát triển vật liệu phát quang và vật liệu quang điện tử, quang tử.
Sự không hoàn hảo và các liên kết hở của nguyên tử trên bề mặt hạt vật liệu nano có thể hoạt động như bẫy điện tử hoặc lỗ trống khi chịu kích thích.
(quang, nhiệt, điện) có thể biến đổi các tính chất vật lý (quang, điện) của các hạt vật liệu nano
Trong nhiều trường hợp, các trạng thái bề mặt có thể trở thành kênh tiêu tán năng lượng không phát quang, dẫn đến giảm hiệu suất huỳnh quang của vật liệu cấu trúc nano Do đó, việc thụ động hóa các trạng thái bề mặt là cần thiết để hạn chế các kênh tiêu tán năng lượng và ngăn chặn sự mất mát các hạt tải điện do kích thích, nhằm tập trung vào các quá trình chuyển dời và tái hợp phát quang.
Việc bao bọc các nguyên tử bề mặt của hạt nano bằng chất hoạt động bề mặt hoặc lớp vỏ khác giúp trung hòa các liên kết hở và nút khuyết nguyên tử, từ đó nâng cao tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp và nghiên cứu công nghệ bọc vỏ cho các tinh thể nano đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực khoa học công nghệ vật liệu nano Điều này không chỉ liên quan đến việc chế tạo mà còn ảnh hưởng đến các tính chất quang-điện-điện tử của các vật liệu cấu trúc nano.
Lớp vật liệu vỏ có cấu trúc tinh thể tương tự nhưng với năng lượng vùng cấm lớn hơn, giúp giam giữ hạt tải điện trong tinh thể nano lõi Nó bền với môi trường và ít độc hại hơn, góp phần trung hòa các trạng thái bề mặt của tinh thể nano Đồng thời, lớp vỏ này bảo vệ vật liệu lõi, giảm thiểu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài đối với các hạt tải điện trong tinh thể nano.
Vật liệu nano cấu trúc lõi/vỏ của các chấm lượng tử và tinh thể nano bán dẫn đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ nano Mục tiêu là điều khiển các trạng thái bề mặt của vật liệu để phục vụ hiệu quả cho các ứng dụng Đặc biệt, trong vật liệu phát quang nano, việc bọc một hoặc hai lớp vỏ bán dẫn có hằng số mạng tinh thể tương tự và độ rộng vùng cấm lớn hơn là cần thiết để loại bỏ hiệu quả các tâm tái hợp không bức xạ, bảo toàn tính chất phát xạ nội tại và duy trì ổn định chất lượng của vật liệu Ví dụ, có thể bọc lớp nguyên tử tạo cấu trúc vỏ như CdS, ZnS và ZnSe trên lõi CdSe, CdTe hoặc InP, CuInS2.
Tình hình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng vật liệu nano từ
Vật liệu nano từ hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, thực phẩm và y-sinh học, nhằm phát hiện và chẩn đoán bệnh sớm, phục vụ cho công tác phòng ngừa và chữa trị bệnh.
Phục vụ nghiên cứu các đối tượng:
Tác nhân gây bệnh, và phát hiện chất gây ô nhiễm
Theo dõi cây trồng và các sản phẩm sau thu hoạch
Công nghệ nano cho sinh học phân tử và tế bào
Khoa học vật liệu và Công nghệ ở kích thước nano
Các vấn đề môi trường và chất thải nông nghiệp
Đào tạo lực lượng lao động với kỹ năng hiện đại
Trong chẩn đoán ung thư, mỗi loại ung thư có các mắc-kơ sinh học riêng, xuất hiện trong máu với nồng độ cao khi khối u hình thành, giúp xác định bệnh Một số mắc-kơ điển hình bao gồm PSA cho ung thư tuyến tiền liệt, AFP cho ung thư gan, CA cho ung thư vú, và CEA cho ung thư buồng trứng Khi nghi ngờ ung thư, bệnh nhân chỉ cần xét nghiệm các mắc-kơ này; nếu nồng độ thấp hoặc không có, có thể yên tâm về tình trạng sức khỏe Tuy nhiên, do sự đa dạng của các cơ quan và mắc-kơ, việc thực hiện đồng thời nhiều xét nghiệm là không khả thi vì chi phí cao và lượng mẫu cần thiết lớn Do đó, bác sĩ sẽ chỉ định xét nghiệm cụ thể cho cơ quan nghi ngờ có dấu hiệu bệnh lý ung thư.
Trong lĩnh vực y sinh học, hạt nano từ ở nhiệt độ phòng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như chẩn đoán và điều trị y khoa Để đạt được hiệu quả, hạt nano từ cần phân tán ổn định trong môi trường pH trung tính và tương hợp sinh học Chúng được sử dụng cho các ứng dụng bên trong và bên ngoài cơ thể, bao gồm xác định và chiết tách tế bào, enzyme, ADN bằng phương pháp từ, cũng như đánh dấu, truyền và phân phối thuốc đến mô tế bào Hơn nữa, hạt nano từ còn giúp tăng thân nhiệt cục bộ ở các mô tế bào đã xác định để tiêu diệt tế bào ung thư và tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ.
Các ứng dụng y sinh học mới đang cách mạng hóa việc chẩn đoán và điều trị ung thư, cho phép xác định và tiêu diệt chính xác các khối u ở gan, phổi, ruột, cổ tử cung và não mà không ảnh hưởng đến mô lành xung quanh Nghiên cứu cho thấy, hạt nano từ trong chất lỏng không chứa độc tố và dễ dàng lưu thông trong cơ thể Các hạt nano oxít sắt từ Fe3O4 và Fe2O3 được sử dụng phổ biến nhờ tính năng ít bị oxy hóa và khả năng đáp ứng yêu cầu chẩn đoán Việc chẩn đoán chính xác các bệnh nan y như ung thư đang là mối quan tâm lớn của xã hội, ngành y tế và các nhà khoa học.
Một số ứng dụng của hạt nano oxít sắt từ trong y sinh học
Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã thu hút sự chú ý mạnh mẽ trong lĩnh vực y sinh học Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào các ứng dụng của hạt nano, đặc biệt là hạt nano oxít sắt từ Các ứng dụng này chủ yếu liên quan đến việc tách chiết tế bào, phân tích ADN, dẫn truyền thuốc và chẩn đoán bệnh thông qua ảnh cộng hưởng từ, trong đó hạt nano oxít sắt từ được sử dụng để tăng cường tính tương phản.
Sự tách chiết tế bào:
Trong y sinh học, việc tách biệt các thực thể sinh học khỏi môi trường xung quanh là cần thiết để tăng nồng độ cho phân tích hoặc các mục đích khác Phương pháp tách chiết tế bào bằng hạt nano từ tính là một trong những kỹ thuật phổ biến được áp dụng.
Quá trình tách chiết bao gồm hai giai đoạn chính: đầu tiên, cần đánh dấu các thực thể sinh học mục tiêu, sau đó sử dụng từ trường để tách biệt những thực thể đã được đánh dấu khỏi môi trường xung quanh.
Việc đánh dấu tế bào được thực hiện bằng hạt nano từ tính, chủ yếu là hạt ô-xít sắt, được bao phủ bởi các hóa chất sinh học như dextran và polyvinyl alcohol (PVA) Những hóa chất này không chỉ tạo liên kết với bề mặt tế bào mà còn giúp hạt nano phân tán tốt hơn trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Tương tự như hệ miễn dịch, các kháng thể và phân tử khác có khả năng nhận diện vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào, cho phép chúng liên kết với các kháng nguyên Hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự giúp tạo ra các liên kết với tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước của hạt từ tính có thể cần đạt đến vài trăm nano mét.
Quá trình phân tách diễn ra nhờ gradient từ trường ngoài, tạo ra lực hút cho các hạt từ tính mang tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không bị giữ lại và sẽ thoát ra ngoài Lực tác động lên các hạt từ tính được mô tả bởi một phương trình cụ thể.
Độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước) được ký hiệu là η, trong khi R là bán kính của hạt từ tính Sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước được biểu thị bằng Δν = νm − νw.
Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình sau:
Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu, bao gồm hạt từ tính được bao phủ bởi lớp CHHBM, được trộn đều để tạo ra các liên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào.
Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu
Nâng thân nhiệt cục bộ (Hyperthermia):
Phương pháp nâng nhiệt độ cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến tế bào bình thường sử dụng hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm Các hạt nano này được phân tán trong các mô mục tiêu và được kích thích bằng từ trường xoay chiều mạnh, tạo ra nhiệt để làm nóng mô Nhiệt độ khoảng 42 oC trong 30 phút có thể tiêu diệt hiệu quả các tế bào ung thư.
Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ đã được phát triển từ lâu, nhưng chưa có công bố thành công trên người Khó khăn chủ yếu là dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra nhiệt lượng cần thiết trong từ trường mạnh Các yếu tố như lưu lượng máu và phân bố mô ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ Tỉ số phát nhiệt khoảng 100 mW/cm³ là đủ cho hầu hết các thí nghiệm Tần số và biên độ của từ trường thường dao động từ 0,05-1,2 MHz với H < 0,02 T Mật độ hạt nano cần thiết là 5-10 mg/cm³, thường được làm từ magnetite hoặc maghemite, với phần lớn thí nghiệm sử dụng hạt siêu thuận từ.
Vì vậy, ở đây chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ Với hạt siêu
Khi áp dụng từ trường xoay chiều, hạt sẽ phản ứng bằng cách quay, với hai quá trình quay được đặc trưng bởi thời gian hồi phục Brown (τB) và thời gian hồi phục Néel (τN) Nhiệt thoát ra được tính bằng phương trình liên quan đến từ thẩm của môi trường (μ0), tần số từ trường (f), thành phần lệch pha của độ cảm từ phức (χ’’) và cường độ từ trường (H) Nếu chuyển động của hạt nano từ tính lệch pha so với từ trường, năng lượng từ sẽ chuyển thành nội năng của hệ Chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ, với giá trị tối đa có thể đạt 45 W/g tại từ trường 0,01 T.
Hóa trị liệu có nhược điểm lớn là tính không đặc hiệu, khiến thuốc chữa bệnh phân bố không tập trung trong cơ thể Điều này dẫn đến việc các tế bào khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng bởi tác dụng phụ của thuốc Do đó, phương pháp điều trị này được coi là truyền thống và cần xem xét kỹ lưỡng trước khi áp dụng.
Các tế bào ung thư được đánh dấu bằng hạt nanô từ
Thiết bị kiểm soát từ trường
Hình: Mô tả phương pháp chữa bệnh bằng cách nâng thân nhiệt cục bộ
Các hạt từ tính được nghiên cứu từ những năm trước đây, đóng vai trò quan trọng trong việc mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể, thường được sử dụng trong điều trị các khối u ung thư.
1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là:
Thu hẹp phạm vi phân bố của thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc
Giảm lượng thuốc điều trị
Hạt nano từ tính có khả năng tương hợp sinh học và được sử dụng làm hạt mang cho thuốc điều trị Chúng tạo ra một chất lỏng từ, đi vào cơ thể qua hệ tuần hoàn, và được tập trung tại vị trí cần thiết nhờ vào một gradient từ trường mạnh Khi hạt nano tập trung, quá trình nhả thuốc diễn ra thông qua các enzym hoặc các đặc tính sinh lý học của tế bào ung thư như pH và nhiệt độ Hiệu quả dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ và gradient từ trường, cũng như các đặc tính của hạt nano Các thông số thủy lực như lưu lượng máu và thời gian tuần hoàn, cùng với khoảng cách từ thuốc đến nguồn từ trường, đều ảnh hưởng đến quá trình này Hạt có kích thước micrô mét, được tạo thành từ hạt siêu thuận từ nhỏ hơn, cho thấy hiệu quả cao hơn trong hệ thống điều trị.
Quá trình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quả cao trong các mạch máu lớn như động mạch đùi và động mạch cổ, nhờ vào nguồn từ trường mạnh từ nam châm NdFeB với cường độ khoảng 0,2 T và gradient từ trường lên tới 100 T/m Điều này cho thấy rằng việc sử dụng hạt nano trong các vùng máu chảy chậm gần nguồn từ trường có thể nâng cao hiệu quả điều trị Mặc dù chuyển động của các hạt nano gần thành mạch không tuân theo định luật Stoke, nhưng vẫn có khả năng dẫn thuốc hiệu quả ngay cả khi gradient từ trường nhỏ hơn.
Các hạt nano từ tính, chủ yếu là ô-xít sắt như magnetite (Fe3O4) và maghemite (α-Fe2O3), được bao phủ bởi các hợp chất cao phân tử sinh học như PVA, detran hoặc silica Chất bao phủ này giúp chức năng hóa bề mặt, tạo khả năng liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl và biotin Nghiên cứu về dẫn truyền thuốc đã cho thấy hiệu quả cao trên động vật, đặc biệt trong điều trị u não, nơi mà việc đưa thuốc qua hàng rào máu-não là rất khó khăn Nhờ kích thước nano từ 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc trở nên hiệu quả hơn Mặc dù đã có một số thành công trong ứng dụng trên người, nhưng kết quả vẫn còn khiêm tốn.
Cơ chế dẫn truyền thuốc nhắm đích nhằm điều trị ung thư trong cơ thể người trên nền tảng vật liệu nanocompostie nhạy cảm nhiệt độ
PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ
Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ theo thời gian
Khoa học ngày càng phát triển, đồng nghĩa với việc ngày càng có nhiều nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, làm tăng chất lượng cuộc sống con người
Công nghệ nano đánh dấu một bước tiến quan trọng, cho phép con người khám phá và thực hiện những điều trước đây bị hạn chế.
Vật liệu nano từ đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu nhờ vào sự kết hợp giữa kích thước nano và tính chất từ trường Với những đặc điểm nổi bật này, vật liệu nano từ hứa hẹn có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Theo nguồn Cơ sở dữ liệu Wipsglobal mà Trung tâm tiếp cận được, từ năm
Kể từ khi có sáng chế đầu tiên về vật liệu nano từ vào năm 1992, đã có hơn 1000 sáng chế được đăng ký bảo hộ liên quan đến lĩnh vực này.
Hình: Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ 1992-2013 ( 1139 sáng chế)
Nhìn trên đồ thị, có thể thấy lượng sáng chế bắt đầu tăng mạnh từ năm 2001,trong đó tập trung nhiều vào một số mốc thời gian:
Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ theo quốc gia
Hiện nay, hơn 20 quốc gia trên toàn thế giới đang đăng ký bảo hộ các sáng chế về vật liệu nano Trong số đó, 10 quốc gia có nhiều sáng chế nhất bao gồm Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc, Đức, Canada, Nhật Bản, Nga, Đài Loan và Mexico.
Các sáng chế về vật liệu nano từ được đăng ký bảo hộ ở:
- 7 quốc gia: Mỹ, Đức, Trung Quốc, Singapore, Hàn Quốc, Israel, Úc
- 2 tổ chức: tổ chức châu Âu, tổ chức thế giới
Hình: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế ở các quốc gia từ 1992-1999
Các sáng chế về vật liệu nano từ được đăng ký bảo hộ ở:
- 13 quốc gia: Mỹ, Hàn Quốc, Úc, Trung Quốc, Đài Loan, Nhật, Đức, Canada, Anh, Thụy Điển, New Zealand, Mexico, Tây Ban Nha
- 2 tổ chức: tổ chức châu Âu, tổ chức Thế Giới
US DE CN SG KR IL AU EP WO
Hình: 10 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ về vật liệu nano từ
US CN KR AU DE CA JP RU TW MX
Hình: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế ở các quốc gia từ 2000-2005
Các sáng chế về vật liệu nano từ được đăng ký bảo hộ ở:
- 19 quốc gia: Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Canada, Đức, Nga, Úc, Nhật, Rumania, Mexico, Ukraine, Anh, Israel, Cộng hòa Czech, Nam Phi, Jordan, Hồng Kông, Ba Lan, Bulgaria
- 2 tổ chức: tổ chức châu Âu, tổ chức Thế Giới
US KR AU CN TW JP DE CA GB SE NZ MX ES WO EP
Hình: Tình hình đăng ký bảo hộ sáng chế ở các quốc gia từ 2006-2013
- Theo thời gian, lượng sáng chế về vật liệu nano từ được đăng ký bảo hộ ở nhiều quốc gia:
- Ở mỗi giai đoạn, các quốc gia tập trung nhiều sáng chế về vật liệu nano từ có sự thay đổi:
Giai đoạn 1992-1999: 2 quốc gia tập trung nhiều sáng chế là Mỹ và Đức
Giai đoạn 2000-2005, Mỹ dẫn đầu về số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ, trong khi Hàn Quốc, Úc và Trung Quốc cũng ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ, lần lượt chiếm các vị trí thứ hai, ba và bốn.
US CN KR CA DE RU AU JP RO MX UA GB IL CZ ZA JO HK PL BG WO EP
Phân tích vật liệu, xét nghiệm mẫu, 11.85%
Bột kim loại tạo từ trường, 4.13%
Các hướng nghiên cứu khác, 35.12%
Giai đoạn 2006-2013: 3 quốc gia có sự quan tâm nhiều nhất về vật liệu nano từ là: Mỹ, Trung Quốc và Hàn Quốc.
Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ theo bảng phân loại sáng chế quốc tế (IPC)
Trung tâm đã tiếp cận hơn 1000 sáng chế về vật liệu nano từ cơ sở dữ liệu Wipsglobal, và khi phân loại theo hệ thống IPC, nhận thấy rằng nhiều sáng chế tập trung vào một số nhóm nhất định.
Nhóm sáng chế tập trung vào việc ứng dụng vật liệu nano trong y học, bao gồm dẫn thuốc, chẩn đoán, phẫu thuật và tăng nhiệt cục bộ để điều trị khối u và tế bào ung thư, chiếm 25.81% tổng số sáng chế mà Trung tâm đã tiếp cận.
Nhóm sáng chế đã chỉ ra rằng việc ứng dụng vật liệu nano trong phân tích vật liệu và xét nghiệm mẫu chiếm 11.85% tổng số lượng sáng chế mà Trung tâm tiếp cận được.
Nhóm sáng chế đề cập tới việc tạo từ tính cho vật liệu nano chiếm 10.89% tổng lượng sáng chế mà Trung tâm tiếp cận được
Nhóm sáng chế đề cập tới cấu trúc nano, phương pháp tạo vật liệu nano chiếm 7.99% tổng lượng sáng chế mà Trung tâm tiếp cận được
Nhóm sáng chế đề cập tới oxit sắt tạo từ tính cho vật liệu nano chiếm 4.21% tổng lượng sáng chế mà Trung tâm tiếp cận được
Nhóm sáng chế đề cập tới bột kim loại tạo từ tính cho vật liệu nano chiếm 4.13% tổng lượng sáng chế mà Trung tâm tiếp cận được
Hình: Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ theo bảng phân loại sáng chế quốc tế (IPC)
Tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ ở 3 quốc gia Mỹ, Trung Quốc và Hàn Quốc
Tại Mỹ, nhiều sáng chế được đăng ký bảo hộ liên quan đến ứng dụng vật liệu nano trong y học, đặc biệt chú trọng vào việc dẫn thuốc và cải thiện các đặc tính của thuốc nhằm tăng cường khả năng hấp thụ và hiệu quả điều trị.
Hình: tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ bảo hộ ở Mỹ
Tại Trung Quốc, có sự gia tăng đáng kể trong việc đăng ký bảo hộ các sáng chế liên quan đến ứng dụng vật liệu nano, đặc biệt trong lĩnh vực y học và việc tạo ra các vật liệu nano từ oxit sắt với tính năng từ tính.
Hình: tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ bảo hộ ở Trung Quốc
Ở Hàn Quốc: Ở Hàn Quốc, các sáng chế đăng ký bảo hộ nhiều về cấu trúc nano, các phương pháp tạo vật liệu nano
Y học Phân tích vật liệu, xét nghiệm mẫu
Tạo từ tính Cấu trúc nano Oxit sắt từ Bột kim loại tạo từ trường
Y học Phân tích vật liệu, xét nghiệm mẫu
Tạo từ tính Cấu trúc nano Oxit sắt từ Bột kim loại tạo từ trường
Hình: tình hình đăng ký sáng chế về vật liệu nano từ bảo hộ ở Hàn Quốc
GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ẬT LIỆU NANO TỪ TẠI VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU ỨNG DỤNG/VIỆN VẬT LÝ TP HỒ CHÍ
Tình hình nghiên cứu khoa học và vật liệu nano, nano từ tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng – Viện Vật lý TP.HCM
Nghiên cứu tổng hợp nanocomposites từ vi hạt nano và chấm lượng tử cấu trúc lõi vỏ CdSe/ZnS-Fe3O4 đã được thực hiện bởi Nguyễn Mạnh Tuấn và Hà Văn Phục Nghiên cứu này không chỉ khám phá quy trình tổng hợp mà còn đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của các vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử (quantum dots) CdS bằng phương pháp hóa ướt (Colloide) và hướng ứng dụng (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Phương Thanh)
Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp chất đến tính chất quang của chấm lượng tử ZnS pha tạp Mn Các tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn và Nguyễn Phương Bình đã tiến hành phân tích để xác định mối liên hệ giữa nồng độ tạp chất Mn và các đặc tính quang học của chấm lượng tử ZnS Kết quả nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà tạp chất ảnh hưởng đến hiệu suất quang của vật liệu này, mở ra hướng đi mới trong ứng dụng của chấm lượng tử trong công nghệ quang học.
Nghiên cứu tổng hợp và một số đặc trưng cơ bản của chấm lượng tử CdSe hướng ứng dụng y-sinh học (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Thị Nga)
Nghiên cứu và tổng hợp vi hạt Chitosan kích thước nano (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Mộng Thường)
Nghiên cứu tổng hợp màng nano quang xúc tác TiO2-SiO2 tự làm sạch (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Huỳnh Yến)
Y học Phân tích vật liệu, xét nghiệm mẫu
Tạo từ tính Cấu trúc nano Oxit sắt từ Bột kim loại tạo từ trường
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp cấu trúc nano hạt từ chấm lượng tử MB/QD CdSe/CdS/Fe3O4, với ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học Các tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Đông Thảo và Nguyễn Thanh Hoàng đã tiến hành phân tích các đặc tính của nano hạt nhằm nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng y tế Việc sử dụng chấm lượng tử trong cấu trúc này hứa hẹn sẽ mang lại những tiến bộ đáng kể trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Nghiên cứu tổng hợp hạt nanô từ tính Ni-Zn Fe3O4 có phủ lớp polyme để ứng dụng trong y-sinh (Trần Hoàng Hải, Hồ Như Thủy)
Nghiên cứu, tổng hợp hạt nano oxít sắt từ có gắn kháng thể e.coli 0157:H7 để chẩn đoán bệnh tiêu chảy cấp (Trần Hoàng Hải, Nguyễn Ngọc Vân Tâm)
Tổng hợp nghiên cứu tính chất của các hạt nano Fe3O4@Au dùng trong chẩn đoán bệnh viêm gan siêu vi B (Trần Hoàng Hải, Phan Quang Vinh)
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe3O4 với lớp phủ chitosan, kết hợp với enzyme Trypsin để tách chiết tế bào Công nghệ này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc tách chiết và xử lý tế bào, mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu sinh học và ứng dụng y tế.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc trên polyurethane mút xốp nhằm xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn (Nguyễn Thị Phương Phong, Đỗ Bách Khoa)
Nghiên cứu của Đặng Mậu Chiến và Phạm Xuân Thanh Tùng tại PTN Nano ĐHQG TP.HCM tập trung vào việc phát triển chip sợi nano vàng, ứng dụng trong việc định lượng hàm lượng cholesterol tự do trong dung dịch Công nghệ này hứa hẹn mang lại những tiến bộ trong lĩnh vực phân tích sinh học và y tế.
Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử (quantum dots) CdS bằng phương pháp hóa ướt (Colloide) và hướng ứng dụng (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Phương Thanh)
Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp chất đến tính chất quang của chấm lượng tử ZnS pha tạp Mn Các tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn và Nguyễn Phương Bình đã tiến hành thí nghiệm để phân tích sự thay đổi của tính chất quang khi nồng độ tạp chất Mn được điều chỉnh Kết quả cho thấy rằng nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính quang học của chấm lượng tử ZnS, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu nano.
Nghiên cứu tổng hợp và một số đặc trưng cơ bản của chấm lượng tử CdSe hướng ứng dụng y-sinh học (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Thị Nga)
Nghiên cứu tổng hợp màng nano quang xúc tác TiO2-SiO2 tự làm sạch (Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Huỳnh Yến)
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano oxyt sắt Fe3O4 được phủ lớp SiO2 và gắn các kháng thể, nhằm mục đích chẩn đoán bệnh ung thư cổ tử cung Các hạt nano này có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực y tế, đặc biệt trong việc phát hiện sớm bệnh ung thư.
Tổng hợp hạt nano oxit sắt Fe3O4 siêu thuận từ với lớp phủ SiO2 để ứng dụng trong y sinh (Trần Hoàng Hải, Lê Hoàng Anh Khoa)
Khử Arsen ra khỏi nguồn nước bằng các hạt nano từ tính (Trần Hoàng Hải, Huỳnh Kim Thanh)
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano oxit sắt Fe3O4 được phủ bằng Dextran, nhằm cải thiện tính tương phản cho hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) Hạt nano Fe3O4 với lớp phủ Dextran không chỉ tăng cường độ tương phản mà còn đảm bảo tính an toàn cho cơ thể, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán y khoa Kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiệu quả của hạt nano này trong việc nâng cao chất lượng hình ảnh MRI, góp phần quan trọng trong lĩnh vực hình ảnh y học.
Một số kết quả nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng – Viện Vật lý TP.HCM
Mẫu CdSe ở phòng thí nghiệm
Mẫu CdSe/ZnS ở phòng thí nghiệm
Mẫu CdSe/ZnS có peak phát quang cực đại tại bước sóng 607nm
2.3 Tổng hợp chấm lƣợng tử cấu trúc lõi vỏ CdSe/Cds
Lớp vỏ bán dẫn là vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn hơn so với vật liệu bán dẫn lõi, với cấu trúc tinh thể tương đồng và hằng số mạng gần giống nhau Điều này giúp hạn chế sự hình thành khuyết tật mạng, đồng thời tạo ra một rào thế, tăng cường khả năng giam hãm các hạt tải điện trong tinh thể bán dẫn lõi.
Chấm lƣợng tử lõi CdSe:
Chấm lượng tử CdSe, thuộc nhóm AIIBIV với vùng cấm hẹp khoảng 1.74 eV, đã được nghiên cứu và ứng dụng từ sớm nhờ vào độ đồng nhất kích thước cao và chất lượng tinh thể tốt Chúng nổi bật với hiệu suất phát quang cao, đạt từ 50-85% trong các vùng phổ khả kiến có thể điều chỉnh.
Chấm lƣợng tử vỏ CdS:
CdS là một vật liệu bán dẫn thuộc nhóm AIIBVI, có vùng cấm rộng hơn CdSe (2.42 eV so với 1.74 eV) và chuyển dời thẳng, mang lại hiệu suất phát quang cao Nó có phổ hấp thụ trong vùng ánh sáng khả kiến và năng lượng liên kết exciton thấp (29 mV, với bán kính Bohr exciton là 2,8 nm) CdS có cấu trúc tinh thể tương đồng với CdSe, ít độc tính và bền hơn với môi trường, do đó rất phù hợp để làm lớp vỏ bọc bên ngoài cho chấm lượng tử lõi CdSe.
Hình: Thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS
Mô hình cấu trúc lõi/vỏ và vùng năng lượng của chấm lượng tử CdSe/CdS
Mẫu CdSe/CdS có peak phát quang cực đại tại bước sóng 720 nm
Mẫu CdSe/CdS có peak phát quang cực đại tại bước sóng 720nm
-30- Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của CdSe/CdS
Phân bố kích thước của các chấm lượng tử CdSe/CdS chủ yếu trong khoảng
Kích thước của các hạt nằm trong khoảng 4-7 nm, với sự tập trung chủ yếu ở mức 5-6 nm và kích thước trung bình khoảng 5,58 nm Mặc dù các hạt phân bố khá đồng đều, nhưng vẫn tồn tại hiện tượng kết đám, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất huỳnh quang của các chấm lượng tử.
2.4 Chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 và CdSe/ZnS đƣợc bọc trong lớp polymer
Gồm 4 bước như sơ dồ sau:
GMA PGMA amino-PGMA M-PGMA F-M-PGMA
Hình: Ảnh TEM của CdSe/CdS ở thang đo 20 nm và 50 nm
Mẫu PGMA ở phòng thí nghiệm
Mẫu amino-PGMA ở phòng thí nghiệm
Mẫu M-PGMA ở phòng thí nghiệm
Mẫu F-M-PGMA ở phòng thí nghiệm
Mẫu F-M-PGMA có peak phát quang tại 540nm
Mẫu F-M-PGMA phát quang mạnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy và dưới ánh sáng tử ngoại mẫu phát ra ánh sáng màu xanh lá cây
Đã chế tạo hạt cầu đa chức năng F-M-PGMA bằng phương pháp vi nhũ tương
Hạt F-M-PGMA có dạng hình cầu, độ phân tán tốt
Cú kớch thước hạt trung bỡnh 1.41àm và cú tớnh siờu thuận từ
Độ từ hóa bão hòa 5,2 emu/g
Hạt cầu có tính phát quang khi bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp và khi bước sóng phát quang ngắn thì cường độ phát quang tăng dần
Tồn tại nhóm chức –Amino để đính với kháng nguyên/kháng thể
Chưa đính được kháng nguyên/kháng thể lên vật liệu F-M-PGMA chế tạo được do chưa tìm kiếm được nguồn kháng nguyên và kháng thể
Thay đổi từ vật liệu phát quang nhân tạo sang vật liệu phát quang tự nhiên giúp tăng cường tính tương hợp sinh học và giảm độc tố của hệ vật liệu trong ứng dụng in vivo.
Giảm kích thước PGMA để phù hợp hơn với ngưỡng thâm nhập của cơ thể
2.5 Nghiên cứu tổng hợp nano-chitosan:
Tính chất vật lý của chitosan:
Chitosan là chất rắn, xốp nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo nhiều kích cỡ khác nhau
Chitosan có màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi không vị
Tính chất hóa học của chitosan:
Chitosan không tan trong nước, kiềm đặc và loãng, không tan trong cồn, axeton và các dung môi hữu cơ khác
Chitosan tan trong hầu hết các axit hữu cơ; trong axit vô cơ như: HCl, HBr, HI, HNO3, và HClO4 loãng tạo dung dịch keo trong suốt
Chitosan có khả năng hấp thụ và tạo phức với hầu hết các kim loại nặng cũng như các kim loại chuyển tiếp như Hg 2+, Cd 2+, Zn 2+, Cu 2+, Ni 2+, và Co 2+.
-35- Ứng dụng trong y sinh học: làm hạt nano tải thuốc:
-36- Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm:
2.6 Tổng hợp các hạt nano oxit sắt phủ SiO 2 và Au với cấu trúc lõi vỏ
Kết luận
Công nghệ nano, đặc biệt là nano từ, đang nổi lên như một lĩnh vực phát triển đầy tiềm năng Tuy nhiên, hiện tại, hiểu biết của con người về công nghệ và vật liệu nano vẫn còn nhiều hạn chế.
Công nghệ và vật liệu nano mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, nhưng cũng cần nghiên cứu thêm về các tác dụng phụ Nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đang quan tâm đến lĩnh vực này, tuy nhiên, các kết quả chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở phạm vi phòng thí nghiệm Do đó, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển ứng dụng thực tiễn của công nghệ nano.
Cần tăng cường đầu tư cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này ở Việt Nam và trên toàn cầu, nhằm phát triển các sản phẩm nghiên cứu phục vụ đời sống.