là một đại lượng không thứ nguyên, sắt từ ( hoặc feri từ) là những vật liệu có rất lớn, có thểlên đến 105.
Hình 1.8. Khoáng vật Fe3O4. Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe3O4 [29].
1.5.4. Vật liệu từ tính Fe3O4 kích thước nano
So với vật liệu khối thì vật liệu Fe3O4có kích thước nano có cấu trúc tương tự, tuy nhiên giống như các loại vật liệu có kích thước nano, vật liệu từ tính vẫn chịu ảnh hưởng lớn của hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt. Những yếu tố này làm cho các vật liệu nano từ có tính chất đặc biệt hơn so với vật liệu khối.
20
a. Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước
Hai hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất là giới hạn đơn domain và giới hạn siêu thuận từ.
Giới hạn đơn domain
Trong vật liệu Fe3O4dạng khối tồn tại cấu trúc đa domain – các vùng có tính chất từ tính giống nhau và được phân cách bằng các vách domain. Sự hình thành các vách domain này là một quá trình được thúc đẩy bởi sự cân bằng giữa năng lượng tĩnh từ Ed và năng lượng của vách domain Edw–năng lượng này gia tăng tương ứng với thể tích của vật liệu. Nếu kích thước của hạt giảm dướigiá trị thể tích tới hạn thì giá trị này cung cấp năng lượng để hình thành vách domain caohơn nhiều so với hình thành trạng thái năng lượng tĩnh từ, do đó việc hình thành các váchdomain không còn thuận lợi nên vật có cấu trúc đơn domain [31].
Đường kính tới hạn của hạt hình cầu để đạt được trạng thái đơn domain được tính theocông thức [32]: C 2 S A K D 18 M . . Trong đó: A: hệ sốtương tác trao đổi. K: hằng số dịhướng tinh thể. MS: độ từ bão hòa.
Kích thước giới hạn đơn domain của các hạt nano Fe3O4được tính theo lý thuyết có giá trị khoảng 84 nm. Bên cạnh đó, bằng các nghiên cứu thực nghiệm các nhà khoa học đã đưa ra nhữngcon số khác nhau cho giới hạn đơn domain của Fe3O4, ví dụnhư là Batlle và cộng sự chỉ rarằng 128 nm là kích thước tới hạn [32], nhóm tác giả Krishnan nghiên cứu và đưa ra kếtquả 83 nm [33].
21
Hình 1.10. Giới hạn domain của Fe3O4 [34].
Giới hạn siêu thuận từ
Hiện tượng siêu thuận từ có thểđược hiểu thông qua trạng thái quay của các hạt đơn domain. Khi kích thước hạt giảm đến giới hạn đơn domain thì năng lượng dịhướng –năng lượng liên quan đến các tính chất dị hướng của vật liệu từ 2
eff
E( ) K .V.sin (*) có thể tươngđương hoặc nhỏhơn năng lượng nhiệt kBT, do đó magnetic moment tự phát của hạt dễ dàng thayđổi từhướng của trục dễsang hướng khác kể cả khi không có từtrường ngoài. Khi kBT > K Veff hệ có đặc tính giống như chất thuận từ, tuy nhiên số lượng magnetic moment nguyên tửtrong hạt rất lớn nhưng chúng không tương tác với nhau. Hệ hạt như vậy gọi là hệ hạt siêu thuậntừ. Ở trạng thái này, hệ hạt sẽ có từdư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là,khi ngừng tác động của từtrường ngoài, vật liệu sẽ không còn từtính, đây là một tính chấtquan trọng, đặc biệt và cũng là một lợi thế cho các ứng dụng trong lĩnh vực khai thác dầukhí, có thể sử dụng từtrường để điều khiển một số tính chất của nó. Tính chất này phụ thuộc rất mạnh vào phương pháp lựa chọn cho quá trình tổng hợp [31].
22
Hình 1.11. Các trạng thái từ tính của vật liệu.
b. Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt
Khi kích thước hạt giảm, thì tỷ lệ số nguyên tử bề mặt so với tổng so nguyên tử của hạt gia tăng, làm cho hiệu ứng bề mặt trở nên rất quan trọng. Ví dụ, Cobalt có cấu trúc lập phương tâm diện với đường kính 1,6 nm thì khoảng 60% tổng sốlượng spin là ở bề mặt. Vì sốlượng nguyên tửở bề mặt trên tổng sốlượng nguyên tử của vật liệu khá lớn nên spin bề mặt đóng vai trò quan trọng quyết định tính chất từ của vật liệu. Đối với vật liệu có kích thước nano mét thì hiệu ứng bề mặt là nguyên nhân dẫn gây ra hiện tượng dịhướng với sự đóng góp lớn nhất của dịhướng bề mặt. Năng lượng dị hướng bề mặt gây ra sự mất trật tự của cấu trúc từ tại bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có độ lớn khác nhau và đối xứng khác nhau tại những vị trí khác nhau. Sự bất trật tự này là nguyên nhân làm magnetic moment bão hòa củavật liệu có kích thước nano giảm nhiều so với vật liệu khối [31].
1.5.5. Hệ chất lỏng nano từ tính
Hệ chất lỏng nano từ tính là hệ chứa các hạt có tính từcó kích thước nano (dưới 100 nm) phân tán trong môi trường chất lỏng.Chất lỏng đó có thể là một môi trường phân cực –nước hoặc không phân cực như kerozen, ngoài ra còn có thể có các thành phần hoạt hóa
23
bề mặt, trong hệ thì các hạt nano từ là thành phần duy nhất có tính chất từ. Các hạt nano từ tồn tại trong chất lỏng thường có kích thước nano mét, tạo nên hệkeo do đó sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán và sa lắng. Vì vậy, để giúp chúng ổn định tốt hơn trong môi trường phân tán, hạt nano Fe3O4sau khi được tổng hợp sẽđược bọc hoặc chức năng hóa hình thành hạt keo đồng nhất.
Hình 1.12. Chất lỏng nano từ tính.