Fe3O4.Ha_2

Ph m Th Vi t H trờng đại học s phạm hà nội khoa hóa học x(y - Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu tổng hợp hạt nano oxit sắt từ fe3o4 GVHD : ThS Lê Hải Đăng ThS Nguyễn Ngọc Thịnh (ĐHBKHN) Sinh viên : Phạm Thị Việt Hà Lớp : K54 D Hà Nội - 2008 K54D – Khoa Hóa h c Ph m Th Vi t Hà L IM N u th k 20 đ U c coi cu c cách m ng v cơng ngh thơng tin th k 21 s thu c v công ngh nano Công ngh nano t o nhi u u k di u đ n n i ng nano, ng i ta xem nh m t cu c cách m ng B ng cơng ngh i ta có th "nhét" t t c thông tin c a 27 cu n T n Bách khoa toàn th c a Anh n m g n m t thi t b ch b ng s i tóc Ng có th ch t o nh ng robot mà m t th cịn vơ s u k l khác mà ng i ta c ng ng khơng nhìn th y đ c Và i có th khai thác nh vào công ngh nano M t nhánh quan tr ng c a cơng ngh nano, lý sinh h c nano, đó, v t li u nano đ c s d ng đ ch n đoán u tr b nh Lý sinh h c nano đ c nghiên c u r t m nh m nh vào kh n ng ng d ng r t linh ho t hi u qu c a v t li u nano, n hình h t nano t tính Các h t nano t tính có kích th phân t nh (1-10 nm) ho c kích th ct ng ng v i kích th c c a c c a vi rút (10-100 nm) Chính th mà h t nano có th thâm nh p vào h u h t c quan c th giúp cho có th thao tác khơng có h i đ i v i ng qui mô phân t t bào T tr i nên h t nano t tính đ ng c quan tâm s d ng r t nhi u vào m c đích ch n đoán ch a b nh Hi n nay, th gi i v h t nano t tính Vi t Nam m t s cơng trình nghiên c u góp ph n tìm hi u thêm v v n đ này, l a ch n đ tài: NGHIÊN C U T NG H P H T NANO OXIT S T T Fe3O4 *M c đích c a lu n v n: - Ch t o b t nano oxit s t t Fe3O4 b ng ph ph ng pháp đ ng k t t a ng pháp kh - k t t a - Nghiên c u y u t K54D – Khoa Hóa h c nh h ng q trình t o h t nano Fe3O4 Ph m Th Vi t Hà - Nghiên c u c u trúc m t s tính ch t t c a h t nano oxit s t t t ng h p *Ph ng pháp nghiên c u: Lu n v n đ c ti n hành b ng ph ng pháp th c nghi m Ngoài ph n m đ u, k t lu n chung, tài li u tham kh o ph l c, n i dung c a lu n v n đ c trình bày ch ng: Ch ng I: NANO OXIT S T T Ch ng II: T NG QUAN V CÁC PH NG PHÁP CH T O H T NANO OXIT S T T Ch ng III: PH Ch ng IV: K T QU VÀ TH O LU N K54D – Khoa Hóa h c NG PHÁP NGHIÊN C U Ph m Th Vi t Hà Ch ng I: NANO OXIT S T T C u trúc tinh th Fe3O4 Oxit s t t có cơng th c Fe3O4 v t li u t tính đ u tiên mà ng bi t đ n T th k th t ng i Trung Qu c bi t r ng Fe3O4 tìm th y khống v t t nhiên có kh n ng đ nh h lí ng theo ph ng B c – Nam đ a n th k 12, h s d ng v t li u Fe3O4 làm la bàn, m t công c giúp xác đ nh ph đ i ng h ng r t có ích Trong t nhiên, oxit s t t khơng nh ng c tìm th y khống v t mà cịn đ c tìm th y c th sinh v t nh ong, ki n, chim b câu Chính s có m t Fe3O4 c th nh ng sinh v t t o nên kh n ng xác đ nh ph ng h ng mang tính b m sinh c a chúng [1] Trong phân lo i v t li u t , Fe3O4 đ c x p vào nhóm v t li u ferit có cơng th c t ng quát MO Fe2O3 có c u trúc spinel (M kim lo i hoá tr nh : Fe, Ni, Co, Mn, Mg ho c Cu) Trong lo i v t li u ferit ion oxy có bán kính kho ng 1,32 Å l n h n r t nhi u bán kính ion kim lo i ( 0,6 ÷ 0,8 Å) nên chúng n m r t sát s p x p thành m t m ng l i có c u trúc l p ph ng tâm m t x p khít [2] Trong m ng ferit có lo i h c: lo i th nh t h c t di n (nhóm A) đ c gi i h n b i b n ion oxi, lo i th hai h c bát di n (nhóm B) đ h n b i sáu ion oxi Các ion kim lo i M2+ Fe3+ s n m c gi i h c t o nên hai d ng c u trúc spinel c a nhóm v t li u ferit Trong d ng th nh t, toàn b ion M2+ n m ion Fe3+ n m v trí A cịn tồn b các v trí B C u trúc đ m b o hoá tr c a nguyên t kim lo i s ion oxi bao quanh ion Fe3+ M2+ có t s 3/2 nên đ g i spinel thu n C u trúc đ D ng th hai th ng g p h n đ c tìm th y ferit ZnO.Fe2O3 c g i c u trúc spinel đ o Trong c u trúc spinel đ o m t n a ion Fe3+ toàn b ion M2+ n m K54D – Khoa Hóa h c c v trí B, s Ph m Th Vi t Hà ion Fe3+ l i n m v trí A Oxit s t t Fe3O4 ≡ FeO Fe2O3 m t ferit có c u trúc spinel đ o n hình T c : m t n a s ion Fe3+ chi m h c bát di n, n a l i chi m h c t di n; ion Fe2+ đ u chi m h c bát di n C u trúc spinel c a Fe3O4 đ c minh ho hình 1.1 Chính c u trúc spinel đ o quy t đ nh tính ch t t c a Fe3O4, tính ch t feri t Momen t c a ion kim lo i hai phân m ng A B phân b ph n song song u đ c gi i thích nh s ph thu c góc c a t 0 ฀ = 900 Do t siêu trao đ i: ฀ AOB = 125 9′, ฀ AOA = 79 38′, BOB ng tác ng tác ph n s t t gi a A B m nh nh t [2-4] Hình 1.1: C u trúc spinel c a Fe3O4 (Fe2,5+ Fe2+ Fe3+ Hình 1.2: C u trúc spin c a phân t v trí B) Trong Fe3O4 b i ion Fe3+ có m t Fe3O4 c hai phân m ng v i s l ng nh nên mômen t ch Fe2+ quy t đ nh Cation H c bát di n H c t di n Momen t (nhóm B) (nhóm A) riêng Fe3+ Tri t tiêu hoàn toàn Fe2+ K54D – Khoa Hóa h c Ph m Th Vi t Hà M i phân t Fe3O4 có momen t t ng c ng 4µB ( µB magneton Bohr nguyên t , µB = 9,274.10-24 J/T h SI) Hình 1.2 c u hình spin c a phân t Fe3O4 Tính ch t t 2.1 Tính ch t c a v t li u t B t c v t li u đ u có s h ng ng v i t tr hi n b ng đ t hóa ( t đ - M) T s C = M đ H ng (H), th c g i đ c m t Tùy thu c vào giá tr , đ c m t có th phân làm lo i v t li u t khác V t li u có C ฀ (~ -10-6) đ (~10-6) đ c g i v t li u ngh ch t V t li u có C > c g i v t li u thu n t V t li u có C ฀ có th v t li u s t t , ferri t [3] Ngoài đ c m t , m t s thông s khác c ng r t quan tr ng vi c xác đ nh tính ch t c a v t li u, ví d nh : t đ bão hòa MS (t đ đ t c c đ i t i t tr ng l n), c m ng t d Br (t đ d sau t hóa đ n bão hịa đ a m u kh i t tr ng), l c kháng t Hc (t tr ng c n thi t đ m t h , sau đ t tr ng thái bão hòa t , b kh t ) N u kích th (thơng th c c a h t gi m đ n m t giá tr ng t vài đ n vài ch c nano mét), ph thu c vào t ng v t li u c th , tính s t t ferri t bi n m t, chuy n đ ng nhi t s th ng th làm cho v t li u tr thành v t li u siêu thu n t l c kháng t b ng không tr i v i v t li u siêu thu n t , t d i u có ngh a là, ng ng tác đ ng c a t ng ngoài, v t li u s khơng cịn t tính n a, m t đ c m r t quan tr ng dùng v t li u cho ng d ng, đ c bi t ng d ng y sinh h c Trong t nhiên, s t (Fe) v t li u có t đ bão hòa l n nh t t i nhi t đ phịng, s t khơng đ c đ i v i c th ng mơi tr Hình 3: i tính n đ nh làm vi c ng khơng khí nên v t li u nh oxit s t đ c nghiên c u r t nhi u đ làm h t nano t tính ng cong t tr K54D – Khoa Hóa h c Ph m Th Vi t Hà 2.2 Tính ch t t c a Fe3O4 C u trúc spinel đ o quy t đ nh tính ch t t c a Fe3O4, tính ch t feri t Trong v t li u feri t , momen t c ng s p x p thành hai phân m ng ph n song song nh ng đ l n momen t hai phân m ng không b ng Do t đ t ng c ng c a v t li u khác c t tr ng b ng T đ t ng c ng đ c g i t đ t phát có th nói v t li u feri t có s t hố t phát Feri t ↑ ↓ Hình 1.3: Bi u di n s đ nh h 2.3 nh h ng c a kích th ↑ ↑ ng mơ men t spin Fe3O4 c h t đ n tính ch t t i v i v t li u s t t kích th c l n h t có xu h chia thành domain (đomen) t đ gi m n ng l (có h t đa domain) Khi kích th v t li u kích th ↓ ng d h ng phân ng t hình d ng c h t gi m đ n m t giá tr (tu lo i c h t có th t vài ch c nano mét đ n vài micro mét) m i h t m t domain t (có h t đ n domain) H t đ n domain t có momen t s p x p theo ph ng d t hoá d Ti p t c gi m kích th i tác d ng c a n ng l ng d h c h t qua m t gi i h n ti p theo (thông th ng t ng gi i h n c 20 nano đ i v i Fe3O4) s x y tình hu ng n ng l kích thích nhi t có xu h ng phá v s đ nh h ng momen t c a h t Khi monen t t ng c ng c a h h t b ng Ch có t tr tác d ng vào m i có s đ nh h ng ng ng momen t h t t o momen t t ng c ng khác Tính ch t tính ch t đ c tr ng cho v t li u thu n t nh ng m i h t nano có ch a hàng v n nguyên t nên có momen t l n h n hàng v n l n momen t ngun t v y tính ch t đ c g i tính ch t siêu thu n t ng cong t hoá siêu thu n t c ng tuân theo hàm Langevin nh tr ng h p thu n t ng cong có đ c m là: L c kháng t Hc c ng nh t đ không đáng k ngh a khơng có hi u ng tr K54D – Khoa Hóa h c i u hồn toàn Ph m Th Vi t Hà khác so v i đ ng cong t tr s t t h t có kích th c nh tranh gi a n ng l ng d h ng n ng l h t th hi n tính ch t siêu thu n t kích th c l n h n [2] Do s ng kích thích nhi t mà c h t tho mãn u ki n: 25k B T K V≤ (1.1) Trong đó: V th tích h t, kB h ng s Boltzman, T nhi t đ c a m u, K h ng s d h ng t M t khác, theo Langevin trình t hóa c a v t li u thu n t tuân I= theo quy lu t sau: N mH mL( ) V k BT (1.2) V i N s ngun t có th tích c a v t li u V th tích c a v t li u m momen t c a m i nguyên t kB = 1,38.10-23(J/K) h ng s Boltzman T nhi t đ t đ i L(x) hàm Langevin đ c xác đ nh theo công th c: L( x) = cth( x) − x (1.3) Khi x có giá tr t đ i nh h n ta có bi u th c x p x : ⎞ x ⎛ x x3 L( x) = ⎜⎜ + − + ⎟⎟ − ≈ ⎠ x ⎝ x 45 Trong phép đo t thơng th (1.4) ng t tr ng c c đ i ch c vài Tesla (T) Do ta có th đánh giá gi i h n kích th siêu thu n t Ng c đ h t th hi n tính ch t nhi t đ phòng bi t giá tr c a K c l i v i kích th c h t xác đ nh (có V xác đ nh) t n t i nhi t đ chuy n pha s t t – siêu thu n t g i nhi t đ Blocking (TB) xác đ nh theo cơng th c: K54D – Khoa Hóa h c TB = KV 25k B (1.5) Ph m Th Vi t Hà Trên nhi t đ TB u ki n (1.2) đ ch t siêu thu n t , d c tho mãn h t th hi n tính i nhi t đ u ki n khơng đ c tho mãn h t th hi n tính ch t s t t Trong th c nghi m có th xác đ nh TB b ng cách đo đ ng cong t hoá ZFC (Zero Field Cooling) c a m u Fe3O4 d b oxi hóa khơng khí thành d ng γ - Fe2O3 γ - Fe2O3 Fe3O4 có c u trúc tinh th tính ch t v t lí t ng t γ - Fe2O3 c ng ch t feri t nh ng có giá tr đ t bão hòa Ms nh h n Fe3O4 298K giá tr đ t bão hòa Ms: 480 – 500 emu/ cm3 Fe3O4 (đen) Fe2O3 (nâu đ ) 394 emu/ cm3 Trên th c t , u ch h t s t t ng i ta th ng thu đ c c hai d ng Fe3O4 γ - Fe2O3 Các nhà khoa h c th gi i ti n hành nghiên c u u ki n t i u nh t đ thu đ 2.4 c s n ph m Fe3O4 tinh t ng d ng a H t nano oxit s t t đ Trong m t s ngu n n c ng d ng đ x lý n c c t n t i m t s ch t đ c h i đ i v i ng c n ph i lo i b có asen (III) asen (V) i lo i b asen có nhi u cách có th s d ng h t nano oxit s t t đ h p ph asen, lo i chúng kh i n c B ng th c nghi m cho th y cho h t nano oxit s t t v i n ng đ 1g/l vào m u n c có ch a n ng đ asen 0.1mg/l ch sau m t phút n ng đ asen gi m ch 0.0081mg/l d i tiêu chu n c a B y t cho phép n ng đ asenic t i đa 0.01mg/l u mong mu n M i đây, m t nhà khoa h c Nh t B n c a đ i h c Utsunomiya Ti n s Yasuzo Sakai có sáng ki n s d ng h t nano t tính l c n c b ng cách cho m t lo i vi khu n chuyên n ch t b n l l ng n c vào n b n đ c hoà thêm h t nano t tính Bình th c ng vi khu n có tác d ng “thu gom” ch t b n Khi n no chúng t chìm xu ng đáy (do tr ng K54D – Khoa Hóa h c Ph m Th Vi t Hà l c) mang theo ch t b n thu gom đ N u n c làm cho n c tr nên c có h t nano t tính vi khu n s gom vào ng l n h t nano Khi đó, ch c n s d ng m t c ch t b n thông th nam châm bên ngồi ta có th hút vi khu n này, làm cho chúng chìm xu ng nhanh h n c ng làm n c nhanh h n so v i trình l ng đ ng h p d n c a trái đ t m t tr m l n Hi n ông thi t k đ mô hình l c n c th nghi m Xu t phát t ý t cm t Bangladesh ng đó, nhà khoa h c n c ta c i ti n ph ng pháp theo cách riêng c a mình, s d ng k t h p h t nano t tính v i mu i nhơm sulfat đ l c n c K t qu h t s c m i m thú v , nhà khoa h c s d ng k t h p h t nano t tính Fe3O4 v i mu i nhôm sulfat (Al2(SO4)3 đ l c n c, Al2(SO4)3 tan n c s thu phân t o thành nhôm hydroxit (Al(OH)3) k t t a d ng keo K t t a keo có tác d ng nh m t t m l i, l ng đ ng ch t b n m c vào c ng b kéo xu ng theo k t qu làm l ng đ ng ch t b n làm cho n tính Fe3O4 v i mu i Al2(SO4)3 d tính b hút xu ng d c h n Khi k t h p h t nano t i tác d ng c a t tr ng ngoài, h t nano t i, h t xu ng chúng kéo t m l i, nhôm hiđroxit chuy n đ ng theo K t qu nhôm hiđroxit l ng đ ng nhanh h n hàng ch c l n so v i không dùng h t nano t tính H t nano phèn chua giúp trình l ng đ ng ch t r n n c lên hàng ch c l n b H t nano oxit s t t làm ch t mang thu c Trong l nh v c sinh h c nhà khoa h c nghiên c u kh n ng c ch c a h t nano mang thu c lên vi khu n Escherichia coli (g i t t E.coli) Thí nghi m đ tr c ti n hành nh sau: Trên m t đ a ch a th ch (là môi ng thu n l i cho s phát tri n c a vi khu n E.coli) có đ c b n l hình tr , bán kính 0,9cm B n v trí đ c đánh d u A, B, C, D l n l t ch a th tích b ng 200µl c a m u V trí A ch a h t nano mang thu c, v trí K54D – Khoa Hóa h c 10