MT M BT (3 9)
3.2.3. Khả năng sinh nhiệt trong từtrường xoay chiều của cỏc hạt nano
3.2.3. Khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của cỏc hạt nano
Fe3O4
Đốt núng cảm ứng từ là một trong những ứng dụng quan trọng của cỏc hạt nano Fe3O4, ứng dụng này dựa trờn khả năng sinh nhiệt của cỏc hạt nano Fe3O4 trong từ trường xoay chiều. Như đó trỡnh bày trong chương 1, khả năng sinh nhiệt của cỏc hạt nano từ trong từ trường xoay chiều là do sự đúng gúp của nhiều cơ chế tổn hao gồm: cơ chế từ trễ, cơ chế hồi phục Neộl, cơ chế hồi phục Brown và cơ chế dũng điện tớch bề măt. Tuy nhiờn với cỏc hạt nano siờu thuận từ, cơ chế tổn hao Neộl và Brown đúng vai trũ chủ yếu. Cho đến ngày nay, cỏc nghiờn cứu đốt núng cảm ứng từ đều tập trung vào cỏc hạt nano Fe3O4 cú kớch thước từ 14-16 nm [34, 112], bởi vựng kớch thước này cho giỏ trị cụng suất tỏa nhiệt (SLP) là lớn nhất. Theo nghiờn cứu của cỏc tỏc giả Bercoff [24], giỏ trị SLP cao nhất thu được ở mẫu hạt nano Fe3O4 cú kớch
6668 68 70 72 74 76 78 50 100 150 200 250 300 350 M (e m u /g ) Temperature (K) y = m1*(1-m2*M0^(3 /2 )) Error Val ue 0.025229 79.421 m1 8.1727e-08 2.7372e-05 m2 NA 7.0979 Ch isq NA 0.99 831 R
thước 16,5 nm trong từ trường cú tần số 700 kHz và cường độ 24,5 kA/m. Ở phần trờn, chỳng tụi đó trỡnh bày kết quả chế tạo thành cụng hạt nano Fe3O4
cú kớch thước trung bỡnh trong vựng từ 8 đến 20 nm. Cỏc phộp khảo sỏt từ tớnh cho thấy cỏc mẫu hạt cú kớch thước trung bỡnh dưới 19,7 nm cú thể hiện đặc tớnh siờu thuận từ ở nhiệt độ phũng. Do đú trong phần này, chỳng tụi sẽ trỡnh bày cỏc kết quả nghiờn cứu khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của cỏc hạt nano Fe3O4 siờu thuận từ cú kớch thước 8,3 nm (D8), 11,8 nm (D12), 13,7 nm (D14), 15,7 nm (D16). Khả năng sinh nhiệt của hạt nano từ trong từ trường xoay chiều được khảo sỏt thụng qua đường đo nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian của mẫu đốt. Phương phỏp đo đạc được tiến hành thụng qua thớ nghiệm như đó trỡnh bày trong mục 2.2.7 chương 2.
Hỡnh 3.23 trỡnh bày đường đốt từ của cỏc mẫu trong từ trường xoay chiều cú cường độ 80 Oe và tần số 219 kHz, với nồng độ hạt từ trong dung dịch 20 mg/ml. Xu hướng bóo hoà nhiệt độ này xảy ra khi năng lượng toả ra từ cỏc hạt từ cõn bằng với nhiệt lượng truyền ra mụi trường xung quanh. Mẫu cú từ độ bóo hoà lớn cho thấy tốc
độ tăng nhiệt ban đầu và nhiệt độ đốt bóo hoà cao hơn. Dựa trờn đường đốt núng cảm ứng từtheo thời gian cú thể xỏc định cụng suất tỏa nhiệt của cỏc mẫu theo cụng thức như sau: / i i dT SLP C m m dt (3.10) Trong đú Ci là nhiệt dung riờng của thành phần cú khối lượng mi
trong chất lỏng từ. Với thớ nghiệm của chỳng tụi thành phần
bao gồm nước và hạt từ, nhiệt dung riờng của nước cú giỏ trị bằng 4,186 J/gK và nhiệt dung riờng của Fe3O4 là 0,65 J/gK [18], m là khối lượng hạt từ, dT/dt
là tốc độ tăng nhiệt ban đầu được xỏc định từ tiếp tuyến của đường cong nhiệt độ phụ thuộc thời gian tại thời điểm bật từ trường hay được xỏc định là tốc độ tăng nhiệt trong thời gian đốt đầu tiờn. Kết quả xỏc định SLP cho cỏc mẫu
3040 40 50 60 70 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 D16 D14 D12 D8 T ( O C) t (s) Hỡnh 3.23. Đường đốt núng cảm ứng
từ của cỏc mẫu hạt nano Fe3O4 cú
kớch thước khỏc nhau.
H = 80 Oe, f = 219 kHz
được đưa ra trờn bảng 3.6.
Bảng 3.7. Bảng cỏc giỏ trị từ độ bóo hũa, tốc độ tăng nhiệt ban đầu và cụng suất
tỏa nhiệt của cỏc mẫu hạt nano Fe3O4cú kớch thước khỏc nhau
Mẫu D8 D12 D14 D16
Ms (emu/g) 26 43 57 67
dT/dt (oC/s) 0,0131 0,0175 0,031 0,1
SLP (W/g) 5,49 7,34 13,00 41,93
Kết quả cho thấy tốc độ tăng nhiệt và cụng suất đốt tăng theo kớch thước, giỏ trị cụng suất đốt cao nhất đạt được ở mẫu hạt nano Fe3O4 cú kớch thước 15,7 nm. Để so sỏnh cụng suất toả nhiệt của cỏc mẫu trong cỏc từ trường cú thụng số khỏc nhau, người ta thường quy về giỏ trị cụng suất Q xỏc định như
sau: ( ) ( ) O Hf Q SLP Hf
, trong đú H là cường độ, f là tần số của từ trường và (Hf)0
là tớch số giới hạn từ trường đối với cơ thể cú giỏ trị 4,85 ì108 A/m.s. Giỏ trị
Q xỏc định cho mẫu D16 là 9 W/g. Với cỏc hạt nano siờu thuận từ, cụng suất tỏa nhiệt được đúng gúp đồng thời bởi hai cơ chế: Neộl và Brown. Cho đến hiện nay, cỏc kết quả nghiờn cứu về vai trũ của từng cơ chế trong cụng suất tỏa nhiệt trờn cỏc hạt nano Fe3O4 vẫn chưa cú nhiều cụng bố. Để nghiờn cứu sõu hơn vai trũ của từng cơ chế dựa trờn cỏc mẫu vật liệu thu được, chỳng tụi lập luận như sau: cụng suất do đúng gúp của Neộl đạt cực đại khi = 1. Với tần số và cường độ của từ trường đó sử dụng (f = 219 kHz, H = 80 Oe), và giỏ trị của Keff trong khoảng 23 kJ/m3 đến 41 kJ/m3 [161] suy ra với kớch thước từ 11 đến 16 nm, đúng gúp của hồi phục Neộl sẽ đạt cực đại. Cú thể nhận thấy mẫu được chế tạo là D12, D14, D16 cú kớch thước nằm trong giới hạn cực đại của tổn hao Neộl với mẫu D16 cú cụng suất tổn hao lớn nhất.Vỡ vậy trong điều kiện thực nghiệm thu được (giỏ trị Keff của mẫu D16), chỳng tụi đó tiến hành tớnh toỏn cụng suất do đúng gúp của hồi phục Neộl cho mẫu này với giả thuyết kớch thước thật của hạt là kớch thước của lừi từ.
Theo Hergt [153] cụng suất do hồi phục Neộl gõy ra được tớnh bằng cụng thức: 2 2 2 2 0 0 2 1 2 f f H P (3. 10)
Trong đú, T k V M B s 2 0 và T k V K T k V K B eff B eff / / exp 0 , với0 = 10-9s.
Kết quả thu được SLP 48,45 W/g cho mẫu D16. Cỏc giỏ trị này đều cao hơn giỏ trị thu được từ thực nghiệm (bảng 3.6), điều đú chứng tỏ rằng với kớch thước trong dải 10 – 16 nm, đúng gúp của Neộl là chủ yếu cho giỏ trị của SLP. Nghiờn cứu của chỳng tụi phự hợp với nhận định của nhúm tỏc giả Hiergeist. Trong cũng chỉ ra rằng với cỏc hạt nano siờu thuận từ tổn hao do cơ chế Brown là khụng đỏng kể. Do đú cú thể cho rằng SLP chủ yếu là do hồi phục Neộl.
Hỡnh 3.24 trỡnh bày đường đốt từ của mẫu D16 ở cỏc nồng độ khỏc nhau. Kết quả cho thấy tốc độ tăng nhiệt ban đầu cũng như nhiệt độ đốt bóo hoà (Tbh) của hệ mẫu tăng tỉ lệ thuận với nồng độ C (hỡnh 3.25, 3.26). Nhiệt độ bóo hũa và tốc độ tăng nhiệt ban đầu phụ thuộc tuyến tớnh vào nồng độ hạt từ trong chất lỏng. Kết quả thu được này phự hợp với nhận xột tương tỏc từ giữa cỏc hạt là yếu ở trong phần trước. Với mẫu D16
nhiệt độ bóo hũa đạt được khoảng 43 oC ở nồng độ 5 mg/ml. Trong thực tế ứng dụng chữa trị cũng như thử nghiệm trờn cơ thể động vật, nhiệt dung riờng của mụi trường xung quanh sẽ cú giỏ trị khỏc, do vậy yờu cầu về nồng độ hạt từ để đạt được Tbh = 4246 oC cũng sẽ khụng giống như trờn hỡnh 3.10. Tuy nhiờn sự phụ thuộc của Tbh vào C vẫn là tuyến tớnh, do vậy sẽ rất thuận lợi cho việc điều khiển chớnh xỏc nhiệt độ điều trị
Hỡnh 3.24. Đường đốt núng cảm ứng từ
của mẫu D16 ở cỏc nồng độ khỏc nhau. H = 80 Oe, f = 219
Hỡnh 3.25. Sự phụ thuộc nhiệt độ bóo hũa vào nồng độ hạt từ.
Hỡnh 3.26. Sự phụ thuộc tốc độ tăng
nhiệt ban đầu vào nồng độ hạt từ.
Kết luận chương 3
Đó chế tạo thành cụng vật liệu nano Fe3O4 dạng hạt bằng phương phỏp đồng kết tủa. Cấu trỳc, hỡnh dạng và kớch thước của vật liệu đó được khảo sỏt bằng cỏc phộp đo XRD và FESEM. Cú thể điều chỉnh cỏc thụng số cụng nghệ như nhiệt độ phản ứng, nồng độ chất tham gia và tốc độ khuấy từ để nhận được cỏc hạt cú kớch thước trung bỡnh 8,3 nm 19,7 nm.
Đặc tớnh siờu thuận từ của cỏc mẫu hạt được khảo sỏt thụng qua đường đo M(H) và đường ZFC-FC. Mẫu cú kớch thước 20 nm giỏ trị nhiệt độ TB trờn 300 K, cỏc mẫu hạt kớch thước nhỏ hơn hoặc bằng 15,7 nm thể hiện đặc tớnh siờu thuận từ ở nhiệt độ phũng với giỏ trị TB nhỏ hơn 300 K. Giỏ trị nhiệt độ khúa của cỏc mẫu giảm dần theo kớch thước. Hằng số dị hướng xỏc định cho cỏc mẫu kớch thước 13,7 nm và 15,7 nm lớn hơn từ 2 đến 3 lần hằng số dị hướng của mẫu khối. Điều này cho thấy sự đúng gúp của dị hướng bề mặt trong cỏc mẫu hạt nano là lớn.
Từ độ của mẫu giảm khi kớch thước hạt giảm, giỏ trị từ độ bóo hũa ở 1,1 kOe của cỏc mẫu thay đổi từ 26 emu/g đến 75 emu/g tương ứng với kớch thước từ 8,3 nm đến 19,7 nm. Mụ hỡnh cấu trỳc vỏ lừi của cỏc hạt được sử dụng để lý giải sự suy giảm từ độ trong cỏc mẫu hạt nano so với mẫu khối và sự suy giảm từ độ theo kớch thước hạt. Hàm Langevin hiệu chỉnh mụ tả tốt trạng thỏi từ của cỏc hạt nano Fe3O4. Sự phụ thuộc mụ men từ theo nhiệt độ
4550 50 55 60 65 70 75 80 85 0 5 10 15 20 25 30 35 T B H ( o C) C(mg/ml) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0 5 10 15 20 25 30 35 d T /d t( o C/s ) C(mg/ml)
của mẫu D16 tuõn theo hàm Block chứng tỏ sự truyền súng spin trong mẫu tương tự như mẫu khối. Kết quả này cú thể là do kớch thước hạt đồng đều và tương tỏc giữa cỏc hạt là nhỏ.
Cụng suất tỏa nhiệt của trong từ trường xoay chiều phụ thuộc vào kớch thước hạt, cụng suất toả nhiệt tăng khi kớch thước hạt tăng. Giỏ trị cụng suất cao nhất thu được là 41,93 W/g cho mẫu D16. So sỏnh với cỏc tớnh toỏn từ lý thuyết, cú thể đỏnh giỏ rằng giỏ trị này chủ yếu từ đúng gúp của cơ chế Neộl.
Cỏc kết quả nghiờn cứu trong chương này cho thấy mẫu hạt nano Fe3O4
D16 cú kớch thước trung bỡnh 15,7 nm là phự hợp cho ứng dụng trong y sinh với đặc siờu thuận từ ở nhiệt độ phũng, giỏ trị từ độ bóo hũa cao 67 emu/g và cụng suất tỏa nhiệt lớn nhất.
Chương 4
CHẤT LỎNG TỪ NỀN HẠT NANO Fe3O4 VÀ ỨNG DỤNG