Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Tớnh chất từ trong từ trường xoay chiều cho mẫu chất lỏng từ CF3
Đường trễ
Trong phần này, chỳng tụi đó chọn một mẫu chất lỏng từ tiờu biểu (chứa cỏc hạt từ CF3 với nồng độ 1 mg/ml, sau đõy gọi tắt là CF3) để khảo sỏt khả năng sinh nhiệt của chất lỏng từ trong từ trường cường độ (0-400 Oe), tần số 450 kHz.
Hỡnh 3.11 là cỏc đường từ trễ của mẫu chất lỏng CF3, cho thấy sự phỏt triển của vũng trễ theo độ tăng cường độ từ trường ngoài. Giỏ trị SLPhys được xỏc định theo cụng thức:
𝑆𝐿𝑃ℎ𝑦𝑠 = 𝑓
𝑚𝑛∮ 𝑀(𝐻)𝑑𝐻 (3.3) Ở đõy, f là tần số, mn là khối lượng hạt từ. Theo cỏch tiếp cận này, SLP tỷ lệ cường độ từ trường theo dạng hàm bậc 2 như được biểu diễn trờn Hỡnh 3.12. Thực chất trong phộp đo này, SLP chỉ tớnh riờng phần thực của từ trường xoay chiều do đú đó loại bỏ ảnh hưởng của 2 tổn hao Neel và Brown.
Đốt núng cảm ứng từ
a) Khả năng sinh nhiệt trờn mỏy phỏt từ trường xoay chiều
Cỏc thực nghiệm đốt núng cảm ứng từ cũng được thực hiện ở cỏc giỏ trị H khỏc nhau (100 – 300 Oe), và tần số f = 450 kHz. -30 -20 -10 0 10 20 30 -400 -200 0 200 400 CF3 M ( emu /g) H (Oe) 0 50 100 150 200 0 100 200 300 400 CF4 CF3 CF2 CF1 S LP h ys ( W /g) H (Oe) 450 kHz Hỡnh 3.11. Cỏc đường từ trễ của mẫu chất lỏng từ CF3. Hỡnh 3.12. SLPhys phụ thuộc H, tần số 450 kHz.
Hỡnh 3.13 cho thấy nhiệt độ T tăng
theo từ trường H. Giỏ trị SLP được tớnh toỏn thụng qua tốc độ tăng nhiệt ban đầu theo cụng thức sau [30]:
𝑆𝐿𝑃 = 𝐶 𝑚𝑠 𝑚𝑛
𝑑𝑇
𝑑𝑡 (3.4) Trong đú C là nhiệt dung riờng, ms là khối lượng của toàn bộ chất lỏng, mn là khối
lượng của hệ hạt nano từ, dT/dt là tốc độ
tăng nhiệt ban đầu được xỏc định từ độ dốc của đường cong sinh nhiệt theo thời gian. Sự phụ thuộc H của SLP được túm tắt trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giỏ trị SLP của mẫu CF3 tại H khỏc nhau và f = 450 kHz.
H (Oe) 100 150 200 250 300
SLP
(W/g) 71,1 98,6 183,9 213,8 297,4
Từ Bảng 3.3 cú thể thấy cỏcgiỏ trị SLP đều khỏ cao tại cỏc giỏ trị từ
trường 100 Oe, 150 Oe, 200 Oe, 250 Oe và 300 Oe (cố định tần số, 450 kHz). Giỏ trị SLP lớn nhất đạt được 297,4 (W/g) tại cường độ từ trường 300 Oe cú thể so sỏnh với cụng bố của nhúm tỏc giả [9] trờn hệ vật liệu CoFe2O4 được bọc bởi PAA (polyacrylic acid) với cỏc kớch thước khỏc nhau là 6 nm, 10 nm và 14 nm. Ở nồng độ 1,25 mg/ml mẫu kớch thước 10 nm cho giỏ trị SLP lớn
nhất là 251 (W/g) ở điều kiện cường độ từ trường và tần số tương ứng (196 Oe, 275 kHz).
b) Cơ chế đúng gúp và cụng suất tổn hao từ trễ, Neel và Brown
Như đó trỡnh bày trong chương 1, khả năng sinh nhiệt của chất lỏng từ trong từ trường xoay chiều do 3 cơ chế tổn hao:
0 300 600 900 1200 1500 30 35 40 45 50 55 60 65 70 300 Oe 250 Oe 200 Oe 150 Oe 100 Oe t (s) T ( o C) Hỡnh 3.13. Nhiệt độ đốt cực đại phụ thuộc cường độ từ trường.
cơ chế từ trễ (SLPhys), cơ chế hồi phục Neộl (SLPN) và cơ chế hồi phục Brown (SLPB). Sự đúng gúp của từng cơ chế vào SLP tổng cộng là rất khỏc nhau tựy thuộc vào kớch Keff và D. Do đú, việc đỏnh giỏ đúng gúp
của từng cơ chế là điều phức tạp, khú khăn.
Để loại bỏ đúng gúp của tổn hao Brown, thớ nghiệm được tiến hành như sau, pha 1mg hạt từ của mẫu CF3 đó được bọc PMAO vào
trong dung dịch (nước + agar 2%) và gọi tắt là mụi trường agar 2%, dung dịch thu được cú dạng keo để hạn chế chuyển động của cỏc hạt nano. Lý tưởng nhất là chuyển động Brown càng nhỏ càng tốt, về mặt ứng dụng khi cỏc hạt nano từ đưa vào tế bào ung thư cỏc hạt nano khụng thể chuyển động như ở trong nước [18]. Trong thực nghiệm này, cỏc điều kiện từ trường ngoài là tương tự như trờn: cường độ từ 100 Oe đến 300 Oe, tần số 450 kHz. Hỡnh 3.14 là đường đốt núng cảm ứng từ của mẫu CF3 với nồng độ 1 mg/ml đó phõn tỏn trong dung dịch agar 2%. Cũng giống như trường hợp trong mụi trường nước, nhiệt độ tăng khi tăng cường độ từ trường. So sỏnh đường đốt núng cảm ứng từ giữa mụi trường agar 2% và mụi trường nước ta thấy rằng độ dốc cũng như tốc độ tăng nhiệt thấp hơn. Như vậy, cú thể giả thiết giỏ trị
SLPB gần như đúng gúp khụng đỏng kể vào giỏ trị SLP tổng hay tổn hao
Brown đó được loại bỏ. Lỳc này, cụng suất tổn hao chỉ bao gồm SLPN và cú thể cú của SLPhys. Như đó nờu ở trờn SLP là tổng của cỏc giỏ trị SLPhys, SLPB,
SLPN. Từ cỏc số liệu thực nghiệm ở cỏc đường đốt núng cảm ứng từ trong
agar 2% (Hỡnh 3.14) và đường từ trễ (Hỡnh 3.11), 30 40 50 60 0 300 600 900 1200 1500 300 Oe 250 Oe 200 Oe 150 Oe 100 Oe t (s) T ( o C) CF3
Hỡnh 3.14. Đường đốt từ của mẫu CF3 với nồng độ hạt từ trong 1 mg/ml
đó xỏc định giỏ trị cụng suất tổn hao của từng cơ chế và được biểu diễn ở dạng biểu đồ hỡnh cột ở Hỡnh 3.15. Với mẫu CF3, SLPhys cú đúng gúp nhỏ vào giỏ trị SLP tổng cộng trong vựng từ trường thấp (< 100 Oe), nhưng sự đúng gúp tăng lờn khi tăng từ trường. Điều này là hợp lý bởi khi mẫu này cú lực khỏng từ cỡ 40 Oe sẽ cần từ trường lớn hơn vài bậc để từ húa bóo hũa. Đúng gúp của tổn
hao Brown cũng tăng lờn theo từ trường. Kết quả cú thể được giả thiết như sau: nhiệt độ tăng đó làm thay đổi độ nhớt của chất lỏng và do đú sẽ làm tăng độ linh động của cỏc hạt dẫn tới đúng gúp của tổn hao Brown tăng theo từ trường. 0 50 100 150 200 250 300 100 150 200 250 300 SLP hys SLP B SLP N SLP S L P ( W /g ) H (Oe) CF3 Hỡnh 3.15. SLPhys, SLPB, SLPNvà SLP phụ thuộc vào từ trường của mẫu chất
Kết luận chương 3
Bằng phương phỏp phõn hủy nhiệt đó chế tạo thành cụng hệ hạt nano CoFe2O4 với cấu trỳc spinel, hỡnh dạng hạt là hỡnh cầu và đơn phõn tỏn. Cỏc mẫu sau khi tổng hợp đó được chuyển pha bằng PMAO vào trong nước thành chất lỏng từ. Kết quả đo thế Zeta cho thấy cỏc mẫu thu được cú độ bền cao. Cỏc phộp đo từ cho thấy mẫu CF1 và CF2 cú kớch thước hạt nằm trong vựng kớch thước siờu thuận từ, CF3 và CF4 biểu hiện trạng sắt từ với Hc ≥ 40 Oe.
Cỏc thớ nghiệm đốt núng cảm ứng từ cũng đó được khảo sỏt ở cỏc từ trường khỏc nhau100 Oe đến 300 Oe, tần số 450 kHz. Kết quả cho thấy SLP tăng theoH. Với mẫu CF3 cho SLP cao nhất đạt 297,4 (W/g) tại H = 300 Oe. Bờn cạnh đú cỏc cơ chế vật lý đúng gúp lờn SLP tổng của cỏc mẫu chất lỏng CF3 đó được phõn tớch và thảo luận.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ NGHỊ
Chế tạo thành cụng hệ hạt nano CoFe2O4 bằng phương phỏp phõn hủy nhiệt và chất lỏng tương ứng dựng PMAO như chất chuyển pha. Từ cỏc phõn tớch cấu trỳc, hỡnh thỏi, nhiệt, quang và từ cú thể đưa ra cỏc kết luận tiờu biểu sau:
1. Cú thể chủ động điều khiển kớch thước và phõn bố kớch thước hạt bằng cỏch thay đổi cỏc điều kiện chế tạo thớch hợp. Kớch thước tinh thể và kớch thước hạt trung bỡnh của cỏc mẫu nằm trong khoảng từ 7-20 nm với độ phõn bố hẹp và độ tinh thể tốt.
2. Hai thụng số từ độ bóo hũa và lực khỏng từ đều tăng theo kớch thước hạt. Ngược lại năng lượng dị hướng hiệu dụng cú giỏ trị giảm dần.
3. Phổ hồng ngoại đó cung cấp chứng cứ bổ sung về khả năng bọc hạt từ nano CoFe2O4 thành cấu trỳc từ vỏ-lừi.
4. Chất lỏng từ bọc PMAO cú độ bền cao trong mụi trường nước.
5. Giỏ trị của cụng suất tổn hao tăng theo giỏ trị từ trường và đạt giỏ trị cao nhất là 297,4 (W/g) ở 300 Oe, 450 kHz. Trong vựng từ trường nhỏ tổn hao Neel chiếm ưu thế, ngược lại đúng gúp của tổn hao từ trễ tăng theo từ trường.
6. Cần cú những nghiờn cứu bổ sung để mẫu chất lỏng từ CF3 với chất lượng tốt cú thể ứng dụng thực tế trong nhiệt từ trị và tăng cường độ tương phản của ảnh cộng hưởng từ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
1. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trỳc nano và điện tử spin, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội: pp. 49-53.
2. Hồ Thanh Huy (2009) Nghiờn cứu cấu trỳc tinh thể, tớnh chất điện và từ
của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5 sử dụng cỏc phương phỏp đặc trưng micro và nano, Luận văn thạc sĩ chuyờn nghành vật liệu linh kiện và
nano Đại học Quốc gia TP Hồ Chớ Minh.
3. Phạm Hoài Linh, Nguyễn Thanh Ngọc, Trần Đăng Thành, Đỗ Hựng Mạnh, Nguyễn Chớ Thuần, Lờ Văn Hồng và Nguyễn Xuõn Phỳc (2007),
Chế tạo vật liệu spinel Mn1-xZnxFe2O4 (0≤x ≤0,8) kớch thước nanomet và nghiờn cứu một số tớnh chất từ của chỳng, Hội nghị VLCRTQ lần thứ 5,
Vũng Tàu: pp. 116-120.
4. Phạm Hoài Linh (2014), Nghiờn cứu chế tao chất lỏng từ nền hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong diệt tế bào ung thư. Luận ỏn Tiến sĩ Khoa học vật
liệu, Viện Khoa học vật liệu, Hà Nội.
5. Trương Thị Mai (2017), Chuyờn đề cấu trỳc tinh thể. Khoa húa học, Đại học Quy Nhơn.
6. Đỗ Hựng Mạnh (2011), Nghiờn cứu tớnh chất điện và từ của vật liệu perovskite ABO3 kớch thước nanomột (A = La, Sr, Ca và B = Mn) tổng hợp bằng phương phỏp nghiền phản ứng, Luận ỏn Tiến sĩ Khoa học vật
liệu, Viện Khoa học vật liệu, Hà Nội.
7. Phạm Hồng Nam (2013) "Chế tạo, nghiờn cứu tớnh chất từ và đốt núng cảm
ứng từ của hệ hạt ferit spinel Mn1-xZnxFe2O4 cú kớch thước nano một."
Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Hà Nội. 8. Nguyễn Phỳ Thựy (2003), Vật lý cỏc hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Hà Nội: pp. 143–146, 161.
9. Nguyễn Anh Tiến, Dương Thu Đụng, Phạm Quỳnh Lan Phương, Nguyễn Thị Minh Thỳy (2013). Nghiờn cứu tổng hợp vật liệu YFeO3 kớch thước nano mate bằng phương phỏp đồng kết tủa, Tạp chớ Khoa học ĐHSP TPHCM (47).
10. Phan Văn Tường (2007), Vật liệu vụ cơ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội: pp. 52–54.
Tiếng Anh
11. Amyn S., Teja Pei., Yoong Koh (2009), Synthesis, properties, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles, Progress in Crystal Growth
12. Aslibeiki B., Kameli P., Salamati H., Eshraghi M., and Tahmasebi T (2010),
Superspin glass state in MnFe2O4 nanoparticles, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 322, pp. 2929-2934.
13. Chen D.G., Tang X.G., Wu J.B., Zhang W., Liu Q.X., Jiang Y.P ( 2011),
Effect of grain size on the magnetic properties of superparamagnetic Ni0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles by co-precipitation proces, Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, 323, pp. 1717–1721.
14. Chen J.P., Sorensen C.M., Klabunde K.J., and Hadjipanayis G.C (1994),
Magnetic properties of nanophase cobalt particles synthesized in inversed micelles, Journal of Applied Physics, 76, pp. 6316-6318
15. Chen J.P, Sorensen C.M, Klabunde K.J, Hadjipanayis G.C., Devlin E. and Kostikas A (1996), Size - dependent magnetic propreties of MnFe2O4 fineparticles synthesized by coprecipitation, Physical Review B, 54, pp.
9288(9).
16. Christy Riann Vestal (2004), Magnetic Coupling and Superparamagnetic Properties Of Spinel ferrite nanoparticles, Doctor thesis, Georgia Institite
Technology..
17. Goldman Alex (2006), Modern ferrite Technology 2nd, Pittsburgh, PA, USA,
Springer.
18. Hergt R., Andra W., d'Ambly C.G., Hilger I, Kaiser W.A., Richter U., and Schmidt H.G (1998), Physical limits of hyperthermia usingmagnetite fine particles, IEEE Trans. Magn, 34, pp. 3745 - 3754.
19. Hergt R., Dutz S., Muller R., and Zeisberger M (2006), Magnetic particle hyperthermia: nanoparticle magnetism and materials development for cancer therapy, J. Phys. : Condens. Matter, 18, pp. 2919 – 2934.
20. Hua Li., Hua-zhong Wu., Guo-xian Xiao (2010), Effects of synthetic conditions on particle size and magnetic properties of NiFe2O4, Powder
Technology 198, pp. 157–166.
21. Jun Wang., Chuan Zeng., Zhenmeng Peng., Qianwang Chen (2004), Synthesis
and magnetic properties of Zn1-xMnxFe2O4nanoparticles, Physica B 349, pp.
124–128.
22. Lu Xiao., Tao Zhou., Jia Meng (2009), Hydrothermal synthesis of Mn–Zn ferrites from spent alkaline Zn–Mn batteries, Particuology 7, pp. 491–495.
23. N. Poudyal, C. Rong, Y. Zhang, D. Wang, M. J. Kramer, R. J. Hebertc, J. P. Liu: J. Alloys Compd. 521 (2012) 55.
24. Thi Kim Oanh Vuong, Dai Lam Tran, Trong Lu Le, Duy Viet Pham, Hong Nam Pham, Thi Hong Le Ngo, Hung Manh Do, Xuan Phuc Nguyen (2015), Synthesis of high-magnetization and monodisperse
Fe3O4 nanoparticles via thermal decomposition, Materials Chemistry
and Physics, 163: pp. 537-544.
25. Pradhan S.K., Bid S., Gateshki M., Petkov V (2005), Microstructure characterization and cation distribution of nanocrystalline magnesium ferrite prepared by ball milling, Materials Chemistry and Physics, 93, pp. 224–230..
26. Rath C., Sahu K.K., Anand S., Date S.K., Mishra N.C., Das R.P ( 1999),
Preparation and characterization of nanosize Mn-Zn ferrite, Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, 202, pp. 77-84.
27. S. J. Lee, J. H. Cho, C. Lee, J. Cho, Y. R. Kim, and J. K. Park: Nanotechnology 22 (2011) 375603
28. Thanh N.T.K (2012), Magneic Nanoparticles From Fabrication to Clinical Applications, CRC Press Taylor & Francis Group, pp. 16-19.
29. Xavier Batlle., Labarta Amớlcar (2002), Finite-size effects in fine particles: magnetic and transport properties, Journal of Physics D Applied Physics, 35,
pp. pp. R15-R42.
30. Y. X. Gong, L. Zhen, J. T. Jiang, C. Y. Xu, W. Z. Shao: J. Magn. Magn. Mater. 321 (2009) 3702.