tiểu luận môn từ học vật liệu từ và ứng dụng

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ - - BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: TỪ HỌC Đề tài: Ứng dụng vật liệu siêu thuận từ, nghịch từ vật liệu có cấu trúc nano Học viên thực hiện: Hồ Thị Kim Loan Lê Thị Thu Thảo Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Lớp: LL&PP DHBM Vật Lý K24 Huế, tháng năm 2016 MỞ ĐẦU Có thể nói khoa học công nghệ nano thực bước đột phá nghành khoa học vật liệu kỷ 21, vật liệu nano góp phần giải toán nhân loại có tính toàn cầu y tế, lượng, môi trường Trong năm qua, việc ứng dụng hạt nano từ cho y sinh học đặc biệt chuẩn đoán điều trị ung thư vấn đề thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới Khi kích thước vật liệu từ giảm tới cỡ nano mét, vật liệu xuất thêm nhiều tính chất tượng hồi phục siêu thuận từ, dị hướng bề mặt, bề măt riêng lớn Các tính chất làm cho chúng trở nên kì lạ so với vật liệu khối ưu ứng dụng y sinh, dạng vật liệu mở nhiều lĩnh vực công nghệ khả ứng dụng Vật liệu nano có tính chất thú vị bắt nguồn từ kích thước nhỏ chúng Do vật liệu nano có nhiều ứng dụng ngành công nghệp, sinh học xử lý môi trường Do tính chất đặc biệt ứng dụng rộng rãi chúng mà chọn đề tài: “Ứng dụng vật liệu siêu thuận từ, nghịch từ vật liệu có cấu trúc nano” để làm tiểu luận 1 Vật liệu thuận từ, nghịch từ: Thuận từ, nghịch từ dạng yếu từ tính, không vĩnh cửu tồn có trường tác dụng Tính nghịch từ có hầu hết tất vật liệu yểu nên quan sát dạng từ tính khác Cả hai chất thuận từ nghịch từ coi vật liệu không từ tính chúng bị từ hóa có từ trường ngoài, mật độ từ thông chúng giống chân không Do chúng có ý nghĩa thật tế Ví dụ vật liệu nghịch từ: Chế tạo màng mỏng từ (lớp mỏng) đế Si Khi đo từ trường cao, tính nghịch từ Si trở nên mạnh màng mỏng nên mômen từ thấp Nên ta quan sát thấy đường cong từ hóa theo kiểu mômen từ giảm theo từ trường hay trí mang giá trị âm từ trường dương Có thể hiểu rằng, chất nghịch từ đẩy từ trường Siêu dẫn chất nghịch từ lý tưởng, chúng hoàn toàn đẩy từ trường Các màng mỏng từ ứng dụng nhiều phận ổ đĩa cứng đĩa từ (platter),trong đầu đọc/ghi, cảm biến, dẫn động… Vật liệu siêu thuận từ Các vật liệu siêu thuận từ sử dụng nhiều vật lý y sinh học nhờ khả hồi đáp nhanh với tác dụng từ trường bên Siêu thuận từ sử dụng hạt nano từ tính, đặt chất lỏng từ Các chất siêu thuận từ quan tâm nghiên cứu mạnh, dùng để chế tạo chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư lực kháng từ không Điều có nghĩa là, ngừng tác động từ trường ngoài, vật liệu không từ tính nữa, đặc điểm quan trọng dùng vật liệu cho ứng dụng y sinh học • Các chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dẫn từ, làm giảm nhiễu ồn loa điện động • Làm nhân cho hệ hạt tự lắp ghép • Dẫn thuốc • Làm tăng độ tương phản ảnh chụp cộng hưởng từ • Điều trị ung thư đốt nóng thân nhiệt cục bộ… Vật liệu từ có cấu trúc nano Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu Y dược thị trường lớn tiêu thụ vật liệu nano, ứng dụng hạt nano để dẫn truyền thuốc (drug delivery) đến vị trí thể ví dụ ứng dụng hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc liên kết với hạt nano có tính chất từ, cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định vị trí thời gian đủ dài để thuốc khuyếch tán vào quan mong muốn Vật liệu có cấu trúc nano ứng dụng vào lĩnh vực sau: - Y dược: Hạt nano - Hóa chất vật liệu cao cấp: Ống nano - Công nghệ thông tin, viễn thông : Vật liệu xốp nano - Năng lượng: Lồng nano - Tự động hóa: Chấm lượng tử - Hàng không vũ trụ: Vật liệu cấu trúc nano - Dệt: Sợi nano - Nông nghiệp: Hạt chứa hạt nano (capsule) Vật liệu nano có tính chất thú vị kích thước so sánh với độ dài tới hạn tính chất đối tượng ta nghiên cứu Vật liệu nano có khả ứng dụng sinh học kích thước nano so sánh với kích thước tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng 10-100 nm chiều dài) Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống thực thể sinh học khác thâm nhập vào tế bào virus Ứng dụng vật liệu từ nano sinh học có nhiều, ứng dụng nghiên cứu sôi có triển vọng phát triển phân tách tế bào (magnetic cell separation), dẫn truyền thuốc (drug delivery), thân nhiệt cao cục (hyperthermia), tăng độ sắc nét hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement) Vật liệu nano dùng trường hợp hạt nano Hạt nanô từ tính dùng y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng hạt cao, từ độ bão hòa lớn vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) Tính đống kích thước tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo từ độ bão hòa tính tương hợp sinh học liên quan đến chất vật liệu Trong tự nhiên, sắt (Fe) vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhiệt độ phòng, sắt không độc thể người tính ổn định làm việc môi trường không khí nên vật liệu ô-xít sắt nghiên cứu nhiều để làm hạt nanô từ tính • Trong sinh dược học, người ta cần phải phân tách loại tế bào đặc biệt khỏi tế bào khác Hạt từ nano có tính tương hợp sinh học (biocompatible) dùng để làm điều Quá trình gồm hai giai đoạn: dán nhãn cho tế bào (labelling) hạt nano từ; phân tách tế bào dán nhãn dụng cụ phân tách Các hạt nano từ phủ loại hóa chất, thường dùng chất hoạt hóa bề mặt (surfactant) để làm tăng độ tương hợp sinh học làm tăng khả ổn định dung dịch hạt nano Cơ chế dán nhãn tế bào giống chế mà kháng thể nhận kháng nguyên thể Ví dụ ta phủ lớp hóa chất miễn dịch đặc hiệu bên hạt nano chúng bám vào tế bào máu, tế bào ung thư, vi khuẩn thể golgi Để phân tách tế bào đánh dấu, người ta dùng dụng cụ tạo gradient từ trường cách đặt nam châm chẳng hạn để hút hạt nano từ liên kết với tế bào cách đó, tế bào tách khỏi tế bào khác không đánh dấu • Để tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ: Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ ô-xít sắt hợp chất chứa Gd thường sử dụng tác nhân làm tăng độ tương phản cộng hưởng từ Sự có mặt chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị nhiều Giá trị thay đổi mức độ yếu Dựa đặc tính mô thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30nm bao phủ dextran nhanh chóng vào gan tì quan khác chậm Như vậy, mật độ hạt nanô quan khác nhau, dẫn đến nhiễu loạn từ trường địa phương khác làm tăng độ tương phản ảnh cộng hưởng từ thời gian hồi phục bị thay đổi từ mô đến mô khác • Trong phương pháp điều trị ung thu đốt nóng thân nhiệt cục Để sử dụng ứng dụng này, hạt nano từ tính phải không độc hại với thể, Chúng bao phủ chất gọi chất hoạt hóa bề mặt chất có tính chất hoạt động bề mặt, bao phủ hạt, vừa có tác dụng cách ly hạt, tạo dung dịch kiểu huyền phù (lơ lửng) hòa tan tốt vào dung môi có tính tương thích sinh học với thể Như vậy, ta có chất lỏng mang từ tính (ta tưởng tượng giống nam châm dạng lỏng Có nghĩa chúng có phản ứng tác động từ trường Chất lỏng tiêm vào thể đưa đến tế bào ung thư (bằng chất nhạy với loại tế bào này, bạn học Sinh học biết rõ) Đặt vào từ trường xoay chiều Ta tưởng tượng hạt nano từ tính giống nam châm, đặt vào từ trường xoay chiều chúng quay tạo nhiệt Bằng cách ta tạo nhiệt lượng đốt nóng cục đốt chết tế bào ung thư Đây phương pháp trị ung thư giới nghiên cứu mạnh mẽ Và loại vật liệu từ cấu trúc nano, ứng dụng * Cấu trúc chất lỏng từ sở hạt nano ferrite (Fe3O4) Bao gồm thành phần: • Hạt từ đơn đômen với momen từ định hướng ngẫu nhiên • Môi trường dung môi lỏng không cực • Trên bề mặt hạt bao phủ lớp hoạt tính bề mặt Các hạt từ đơn momen có kích thước cỡ vài chục nano mét có dạng gần hình cầu môi trường chất lỏng Hình ảnh lực từ tác dụng lên chất lỏng từ Một số ứng dụng chất lỏng từ: + Quan sát đô men từ + Quan sát sai hỏng bề mặt Hình ảnh từ quan sát dựa hiển vi hiệu ứng Kerr hay hiển vi từ lực MFM, để phát định vị vùng sai hỏng có kích thước nhỏ cỡ vài micron + Ứng dụng y sinh: tách chiết tế bào, vận chuyển thuốc + Bịt kín bôi trơn Trục quay bị bịt kín rò rỉ ( dầu hay chất lỏng độc hại) + Làm đệm giảm xóc +Chống rung, giảm chấn Giảm chấn rung chuyển động cho cầu + Nâng cân ổn định Trục quay ổn định 3D + Tản nhiệt nước từ: Công suất loa tăng đáng kể thực tản nhiệt tốt cho cuộn dây dao động + Mực in từ chống giả mạo Ngoài số ứng dụng khác như: sensor, chuyển đổi thủy tinh từ, vi bơm, động chuyển đổi nhiệt _ điện, công tắc quang học, người máy, vận chuyển thuốc,… KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu ứng dụng vật liệu từ, đặc biệt vật liệu siêu thuận từ, vật liệu có cấu trúc nano, giúp chúng em hiểu biết sâu thêm ứng dụng thực tế chúng sâu vào đời sống Và công nghệ khoa học kỹ thuật ngày phát triển, nhu cầu xã hội ngày tăng nên vật liệu nano ngày ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực khác nhau, bật lĩnh vực y học Vậy đặc điểm ứng dụng rộng rãi công nghiệp, kĩ thuật, nghiên cứu khoa học đời sống nên vật liệu siêu thuận từ đặc biệt vật liệu nano đã, sử dụng phổ biến, ngày phát triển nhiều ứng dụng đóng vai trò quan trọng sản xuất, đời sống [...]... từ chống giả mạo Ngoài ra còn một số ứng dụng khác như: sensor, chuyển đổi thủy tinh từ, vi bơm, động cơ chuyển đổi nhiệt _ điện, công tắc quang học, người máy, vận chuyển thuốc,… KẾT LUẬN Qua quá trình tìm hiểu ứng dụng của các vật liệu từ, đặc biệt là vật liệu siêu thuận từ, vật liệu có cấu trúc nano, giúp chúng em hiểu biết sâu thêm những ứng dụng thực tế của chúng đi sâu vào đời sống chúng ta Và. .. Và do công nghệ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, nhu cầu xã hội ngày càng tăng nên vật liệu nano ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn vào các lĩnh vực khác nhau, nổi bật lĩnh vực y học Vậy do đặc điểm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, kĩ thuật, trong nghiên cứu khoa học cũng như trong đời sống nên vật liệu siêu thuận từ và đặc biệt vật liệu nano đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến, ngày càng... rãi trong công nghiệp, kĩ thuật, trong nghiên cứu khoa học cũng như trong đời sống nên vật liệu siêu thuận từ và đặc biệt vật liệu nano đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến, ngày càng phát triển nhiều ứng dụng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, đời sống