Nghiên cứu chế tạo dãy các vi cấu trúc từ NdFeB bằng phương pháp in phun

Sự ra đời của hợp kim NdFeB cùng với các đặc tính từ cứng vượt trội của nó đã góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các loại động cơ công nghiệp, các thiết bị điện, các loại cảm biến,... Bài viết Nghiên cứu chế tạo dãy các vi cấu trúc từ NdFeB bằng phương pháp in phun trình bày chi tiết về các bước chế tạo và kết quả mô tả chi tiết đặc điểm của các vi cấu trúc từ.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun Lê Việt Cường* Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội * Email: cuonglv@vnu.edu.vn Nhận bài: 30/8/2022; Hoàn thiện: 05/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.309-314 TÓM TẮT Trong báo cáo này, vi cấu trúc từ có dạng vng với diện tích bề mặt 500500 m2, chiều dầy 40 m, xếp tuần hoàn chế tạo phương pháp in phun Dung dịch in chứa hạt từ cứng NdFeB có độ từ dư (MR) ~ 47 emu/g lực kháng từ (HC) ~ 2,0 kG Mặc dù kết nghiên cứu cho thấy vi cấu trúc từ sau từ hóa từ trường ngồi ~ 20 kG có MR ~ 0,16 emu/g HC ~ 820 G, hàm lượng hạt NdFeB dung dịch in thấp, vi cấu trúc có khả hút hạt từ Fe3O4 phía chúng Các kết phân tích từ trường thành phần Bz, biến thiên Bz theo phương vuông góc với bề mặt vi cấu trúc từ (dBz/dz), biến thiên Bz theo phương song song với bề mặt vi cấu trúc từ (dBz/dy) cho thấy khả ứng dụng dãy vi cấu trúc từ để phân tách cách đối tượng từ tính dựa vào trọng lượng Từ khoá: Vật liệu từ; Vi cấu trúc từ; In phun MỞ ĐẦU Sự đời hợp kim NdFeB với đặc tính từ cứng vượt trội góp phần thúc đẩy phát triển mạnh mẽ loại động công nghiệp, thiết bị điện, loại cảm biến, [1] Trong hầu hết ứng dụng, nam châm NdFeB sử dụng có dạng khối Điều khiển, bắt giữ, phân tách đối tượng từ tính kích thước micro nano (kể đối tượng có tính chất nghịch từ) ứng dụng nam châm nói chung nam châm NdFeB nói riêng, thu hút nhiều quan tâm, ý nhóm nghiên cứu năm gần [2] Để làm việc này, nam châm NdFeB yêu cầu phải dạng màng mỏng có kích thước bề mặt nhỏ cỡ vài chục vài trăm micro-mét để tạo từ trường có độ biến thiên lớn xung quanh bề mặt nam châm Cho đến nay, nam châm loại thường chế tạo phương pháp phún xạ đế tạo hình [3, 4], phương pháp đảo từ cục nhiệt [5, 6], phương pháp tự xếp phân tử [7], phương pháp in từ [8], Các nam châm nhỏ sử dụng để bắt giữ, điều khiển thành công hạt từ tế bào sống Tuy nhiên, phương pháp chế tạo phức tạp, trải qua nhiều bước, q trình chế tạo lâu Gần đây, cơng nghệ in nói chung cơng nghệ in phun xác nói riêng phát triển mạnh, ứng dụng chế tạo nhanh loại nam châm với hình dạng kích thước khác [9-11] Cách chế tạo không cần sử dụng mặt nạ, không cần khn, dễ dàng in vật liệu trực tiếp lên đế với hình dạng phức tạp Trong báo báo này, miêu tả việc chế tạo dãy nam châm NdFeB dạng màng mỏng có kích thước bề mặt cỡ m2 (sau gọi vi cấu trúc từ) phương pháp in phun Đầu tiên chúng tơi trình bày chi tiết bước chế tạo kết mô tả chi tiết đặc điểm vi cấu trúc từ Sau đó, chúng tơi giới thiệu kết thử nghiệm việc sử dụng vi cấu trúc từ để bắt giữ hạt từ tính THỰC NGHIỆM Để chế tạo vi cấu trúc từ, thiết bị in phun Dimatix DMP 2831 hãng Fujifilm sử dụng Đây thiết bị in sử dụng công nghệ áp điện để hình thành giải phóng giọt mực in Có nhiều thơng số liên quan tới q trình in để chất lượng hình in tốt khoảng cách kim Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 309 Hóa học – Sinh học – Mơi trường phun đế, nhiệt độ hộp mực, nhiệt độ đế in, tốc độ hình thành giải phóng giọt mực, dung dịch in,… yếu tố liên quan tới dung dịch in quan trọng Một số yêu cầu thông thường dung dịch in để đạt kết in tốt độ nhớt nằm khoảng 10  30 mPa.s, khối lượng riêng lớn g/ml, sức căng bề mặt khoảng 2810-3 ÷ 4210-3 N/m, Quy trình chế tạo khảo sát tính chất vi cấu trúc từ gồm bước sau: + Bước 1: chế tạo dung dịch in chứa hạt NdFeB cách trộn hạt NdFeB thương mại hãng Magnequench (Singapore) với dung dịch phương pháp dung siêu âmn theo tỉ lệ khối lượng mNdFeB/mdd 3/4 (sau gọi dung dịch từ) Trước trộn, hạt NdFeB nghiền trong mơi trường khí trơ để thu hạt NdFeB có kích thước nhỏ hình dạng đồng mà khơng làm xy hóa, biến đổi tính chất từ chúng Dung dịch dung dịch in chuẩn MFL-003 DMP hãng Fujifilm Đây dung dịch màu đen chứa hạt nano Cu có phân bố kích thước hạt khoảng 2,5 nm tới 10 nm, khối lượng riêng 1,4 g/ml, độ nhớt 25,6 ± 0,4 mPa.s, độ pH 9,2 khơng có tính chất từ + Bước 2: khảo sát tính chất dung dịch từ phân bố kích thước hạt thiết bị LB-550 hãng Horiba, độ nhớt thiết bị Viscometer SV-10 hãng A&D Các thơng số đo được, sau đó, so sánh với thông số yêu cầu dung dịch in hãng sản xuất thiết bị in để kiểm tra tính phù hợp dung dịch từ + Bước 3: tổ hợp gồm 44 vi cấu trúc từ in nhiệt độ phòng giấy in thương mại chuẩn dành cho máy in phun Các vi cấu trúc từ có thiết kế hình vng với kích thước bề mặt 500500 µm2 khoảng cách chúng 500 µm + Bước 4: tính chất hình thái học bề mặt, chiều dày, tính chất từ vi cấu trúc từ khảo sát kính hiển vi quang học Carl Zeiss, kính hiển vi lực nguyên tử NT-MDT (Nga), hệ từ kế mẫu rung VSM 7400 (Lake Shore, Mỹ) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các tính chất hạt NdFeB dung dịch từ trinhg bày hình Cụ thể, hình 1a 2a cho thấy kích thước ban đầu hạt NdFeB trung bình khoảng µm, độ từ dư (MR) ~ 41 emu/g lực kháng từ (HC) ~ 1,8 kG Sau nghiền, hạt NdFeB có kích thước giảm mạnh so với hạt NdFeB ban đầu, từ kích thước trung bình µm xuống cũn khong 0,1 ữ àm (hỡnh 1b) Trong đó, tính chất từ cứng hạt NdFeB sau nghiền thay đổi không đáng kể so với hạt NdFeB ban đầu (hình 2a), cụ thể, MR HC hạt NdFeB sau nghiền ~ 47 emu/g ~ 2,0 kG Dung dịch từ chế tạo có độ nhớt độ pH tăng lên không đáng kể so với dung dịch nền, cụ thể 26,6 mPa.s 9,8.Trong đó, MR HC dung dịch từ giảm mạnh so với tính chất từ hạt NdFeB, dung dịch từ có tính chất từ mềm Điều thể thơng qua hình dạng đường cong từ trễ có độ trễ hẹp đạt trạng thái bão hòa từ trường thấp (hình 2b) Tính chất từ mềm dung dịch từ giải thích sau: khối lượng hạt từ NdFeB dung dịch từ 75% khối lượng dung dịch nền, khối lượng riêng hạt từ NdFeB lớn nên số lượng hạt từ NdFeB có dung dịch từ ít, dẫn đến mơ-men từ tổng cộng dung dịch thấp Các hạt NdFeB phân tán dung dịch, không liên kết với trạng thái lơ lửng dung dịch nên hạt từ NdFeB dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài, đó, HC dung dịch nhỏ Hình ảnh chụp quang học tổ hợp vi cấu trúc từ chế tạo (hình 3a, b) cho thấy vi cấu trúc từ có chiều dày đồng cỡ 40 µm Hình dạng vi cấu trúc từ sắc nét, có kích thước theo thiết kế, khoảng 500500 µm2 Đường cong từ trễ đo theo phương song song vng góc với bề mặt vi cấu trúc từ cho thấy vi cấu trúc từ khơng có định hướng ưu tiên với giá trị từ độ bão hòa (MS), MR HC 0,16 emu/g, 7,6×10-2 emu/g 820 G 310 Lê Việt Cường, “Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun.” Nghiên cứu khoa học công nghệ (hình 3c) Các đường cong từ trễ cho thấy mẫu có tính chất từ cứng thay tính chất từ mềm dung dịch từ Điều giải thích co cụm liên kết với hạt NdFeB vi cấu trúc từ Thực vậy, hình ảnh bề mặt vi cấu trúc từ (hình 3d) quan sát AFM cho thấy bề mặt mẫu có độ gồ ghề lớn, lên tới 500 nm phù hợp với có mặt co cụm hạt NdFeB bề mặt mẫu MS đo theo hai phương chênh lệch không đáng kể, đạt cỡ 0,16 emu/g, nhỏ MS dung dịch từ khoảng 10 lần, số lượng hạt NdFeB vi cấu trúc từ có tỉ lệ so với dung dịch Hình Phân bố kích thước hạt mẫu hạt NdFeB trước (a) sau nghiền (b) Hình Đường cong từ trễ hạt NdFeB trước sau nghiền (a) dung dịch in (b) Để kiểm tra khả bắt giữ, điều khiển đối tượng từ tính (hạt từ có kích thước micro, nano) vi cấu trúc từ, chúng tơi tiến hành mơ phỏng, tính toán độ lớn từ trường biến thiên từ trường không gian xung quanh vi cấu trúc từ Các thơng số hình dạng, kích thước vi cấu trúc từ trình bày độ từ dư vi cấu trúc từ theo phương vng góc với mặt phẳng sử dụng để tính tốn Các kết thu hình gồm giá trị cảm ứng từ theo trục z (Bz), độ biến thiên theo trục y (dBz/dy) theo trục z (dBz/dz) độ cao (d) khác bề mặt vi cấu trúc từ dọc theo đường quét qua vi cấu trúc từ (đường đứt nét màu đen hình 3a) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 311 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Hình Hình ảnh vi cấu trúc từ thực tế chế tạo (a), hình ảnh mặt cắt (b), đường cong từ trễ (c) hình thái học bề mặt (d) vi cấu trúc từ Vì diện tích bề mặt vi cấu trúc từ lớn nên giá trị Bz vi cấu trúc từ sinh ổn định trì khoảng cách xa so với bề mặt vi cấu trúc từ (hình 4a) Do đó, biến thiên thành phần từ trường Bz theo phương vng góc với bề mặt vi cấu trúc từ không đáng kể, cỡ 15 T/m (hình 4c) gần không thay đổi khoảng cách gần so với bề mặt vi cấu trúc từ Ngược lại, biến thiên thành phần từ trường Bz theo phương song song với bề mặt vi cấu trúc từ lại thay đổi nhiều theo khoảng cách so với bề mặt vi cấu trúc từ, gần bề mặt vi cấu trúc từ giá trị dBz/dy lớn (hình 4b) Đây ưu điểm trường hợp dùng vi cấu trúc từ để phân tách đối tượng từ tính dựa vào trọng lượng Khi đối tượng có trọng lượng lớn nhanh chóng lắng xuống bề mặt vi cấu trúc từ sau di chuyển mặt phẳng song song với bề mặt vi cấu trúc từ tới vị trí có lực hút mạnh (các cạnh, bề mặt nam châm) tác dụng dBz/dy Còn đối tượng có trọng lượng nhỏ lơ lửng bề mặt vi cấu trúc từ lực hút vi cấu trúc từ theo phương vng góc với bề mặt vi cấu trúc từ không đáng kể Để chứng minh vi cấu trúc từ có khả bắt giữ hạt từ tính, chúng tơi tiến hành nhỏ dung dịch chứa hạt Fe3O4 lên bề mặt cấu trúc từ tiến hành quan sát di chuyển ổn định hạt từ Trước nhỏ dung dịch từ, bề mặt vi cấu trúc từ che miếng Si phẳng, dày 10 µm để thuận tiện cho trình quan sát Kết cho thấy hạt Fe3O4 bắt giữ phân bố theo cấu hình vi cấu trúc từ, xếp hạt không chặt chẽ với rời rạc (hình 4d) Nguyên nhân cường độ từ trường biến thiên từ trường không gian xung quanh vi cấu trúc từ nhỏ Ngồi ra, cịn phân bố rải rác hạt NdFeB vi cấu trúc từ 312 Lê Việt Cường, “Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Giá trị tính tốn Bz (a), dBz/dy (b) dBz/dz (c) bề mặt vi cấu trúc từ độ cao khác dọc theo đường quét qua vi cấu trúc từ Hình ảnh hạt Fe3O4 phân bố Si dày 10 m đặt bề mặt vi cấu trúc (d) KẾT LUẬN Tổ hợp vi cấu trúc từ hình vng vật liệu chứa hạt từ NdFeB chế tạo thử nghiệm phương pháp in phun sử dụng máy in Dimatix DMP 2831 hãng Fujifilm Mỗi vi cấu trúc từ có độ dày khoảng 40 m, kích thước bề mặt khoảng 500500 m2 phù hợp với thiết kế Mặc dù từ trường biến thiên từ trường vi cấu trúc từ sinh chưa thực lớn, Bz  0,6 mT, dBz/dz  15 T/m, dBz/dy  60 T/m, hàm lượng NdFeB vi cấu trúc từ chế tạo thấp, kết ban đầu cho thấy vi cấu trúc từ bắt giữ hạt từ tính Trong thời gian tới, tập trung tăng hàm lượng hạt NdFeB dung dịch từ để cải thiện tính chất từ dung dịch in giữ thông số khác phù hợp với thiết bị in Điều mở phương pháp chế tạo vi cấu trúc từ thực hiệu đơn giản Lời cảm ơn: Nghiên cứu Trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu Châu Á – ĐHQGHN tài trợ từ nguồn kinh phí Viện Nghiên cứu cao cấp CHEY, mã số CA.22.05A TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M V Reimer, H Y Schenk-Mathes, M F Hoffmann and T Elwert, “Recycling decisions in 2020, 2030, and 2040 – When can substantial NdFeB extraction be expected in the EU?”, Metals, Vol 8, No 11, pp 867- 881, (2018) [2] M Frenea-Robin and J Marchalot, “Basic pricniples and recent advances in magnetic cell separation”, Magnetochemistry, Vol 8, No 11, (2022) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 313 Hóa học – Sinh học – Mơi trường [3] P Kauffmann, A Ith, D O’Brien, V Gaude, F Boue, S Combe, F Bruckert, B Schaack, N M Dempsey, V Haguet and G Reyne, “Diamagnetically trapped arrays of living cells above micromagnets”, Lab Chip, Vol 11, pp 3153-3161, (2022) [4] D L Roy, G Shaw, R Haettel, K Hasselbach, F Dumass-Bouchiat, D Givord, N M Dempsey, “Fabrication and characterization of polymer membrances with integrated arrays of high performance micro-magnets”, Materials Today Communications, Vol 6, pp 50-55, (2016) [5] L F Zanini, O Osman, M Frenea-Robin, N Haddour, N M Dempsey, G Reyne, and F DumassBouchiat, “Micromagnet structures for magnetic positioning and alignment”, Journal of Applied Physics, Vol 111, pp 07B312, (2012) [6] J Pivetal, D Royet, G Ciuta, M Frenea-Robin, N Haddour, N M Dempsey, F Dumas-Bouchiat, P Simonet, “Micro-magnet arrays fro specific single bacterial cell positioning”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol 380, pp 72-77, (2015) [7] L Descamps, M C Audry, J Howard, S Mekkaoui, C Albin, D Barthelemy, L Payen, J Garcia, E Laurenceau, D L Roy, and A L Deman, “Self-assembled permanent micro-magnets in a polymer-based microfluidic device for magnetic cell sorting”, Cells, Vol 10, pp 1734-1745, (2021) [8] N M Dempsey, D L Roy, H M Mathevon, G Shaw, A Dias, R B G Kramer, L V Cuong, M Kustov, L F Zanini, C Villard, K Hasselbach, C Tomba, and F Dumass-Bouchiat, “Micromagnetic impriting of high field gradient magnetic flux sources”, Applied Physics Letters, Vol 104, pp 262401, (2014) [9] P Chen, Y Huang, G Bhave, K Hoshino, X Zhang, “Ink-jet micromagnet array on glass slides for immunomagnetic enrichment of circulating tumor cells”, Ann Biomed Eng., Vol 44, No 5, pp 17101720, (2016) [10] C Huber, C Abert, F Bruckner, M Groenefeld, O Muthsam, S Schuschnigg, K Sirak, R Thanhoffer, I Teliban, C Vogler, R Windl, and D Suess, “3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer”, Applied Physics Letters, Vol 109, pp 162401-162405, (2016) [11] P Chen, Y Y Huang, G Bhave, K Hoshino, and Xiaojing Zhang, “Inkjet-printing micromagnet array on glass slides for immunomagnetic enrichment of circulating tumor cell”, Ann Biomed Eng., Vol 44, No 5, pp 1710-1720, (2016) ABSTRACT Study on fabrication of arrays of NdFeB magnetic microstructures using ink-jet printer In this study, square-shaped magnetic microstructures with a surface area of 500×500 m2 and a thickness of 40 m were fabricated in an order by an ink-jet printer A printing solution contains NdFeB hard magnetic particles with a remanent magnetization (MR)  47 emu/g and a coercivity force (HC)  2.0 kG Although results present that the microstructures after magnetized by an external magnetic field  20 kG have MR  0.16 emu/g and HC  820 G due to a low content of NdFeB particles in the printing solution, the microstructures are capable of attracting Fe3O4 magnetic particles The analysis results of magnetic induction component (Bz) and its gradient in the direction perpendicular to the surface of the microstructures (dBz/dz) as well as in the direction parallel to the surface of the microstructure (dBz/dy) show that the microstructures have a possibility to separate magnetic objects based on weight Keywords: Magnetic materials; Magnetic microstructures; Ink-jet print 314 Lê Việt Cường, “Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun.” ... từ nhỏ Ngồi ra, cịn phân bố rải rác hạt NdFeB vi cấu trúc từ 312 Lê Vi? ??t Cường, ? ?Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Giá trị tính... vi cấu trúc từ thực tế chế tạo (a), hình ảnh mặt cắt (b), đường cong từ trễ (c) hình thái học bề mặt (d) vi cấu trúc từ Vì diện tích bề mặt vi cấu trúc từ lớn nên giá trị Bz vi cấu trúc từ sinh... Cường, ? ?Nghiên cứu chế tạo dãy vi cấu trúc từ NdFeB phương pháp in phun. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ (hình 3c) Các đường cong từ trễ cho thấy mẫu có tính chất từ cứng thay tính chất từ mềm