CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Từ tính và các vật liệu từ
1.1.5. Hạt từ kích thước micro và nano mét
Các hạt từ kích thước micro và nano đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng nhờ các tính chất khác biệt so với vật liệu từ thông thường. Tính siêu thuận từ xuất hiện trong các vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm xuống còn một vài nm (1 nm ÷ 50 nm, tùy thuộc vào từng vật liệu cụ thể). Trên kích thước tới hạn, vật liệu thể hiện các tính chất tương tự vật liệu thuận từ. Khi từ trường ngoài được áp vào, nó có thể định hướng các hạt từ theo phương của từ trường ngoài một cách dễ dàng và khi từ trường ngoài được loại bỏ, mômen từ dư trong các hạt bằng 0. Độ cảm từ của các hạt siêu thuận từ lớn hơn nhiều so với độ cảm từ của các hạt thuận từ. Tính chất từ của các hạt siêu thuận từ chịu ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ. Năng lượng nhiệt khiến cho mômen từ của các hạt siêu thuận từ dao động liên tục nhưng do tính chất dị hướng của hầu hết các hạt nên mỗi hạt thường có hai hướng ổn định riêng. Thời gian trung bình chuyển đổi giữa hai hướng này gọi là thời gian hồi phục Néel (tN), phụ thuộc vào kích thước hạt theo cấp số nhân và có giá trị chỉ vài ns. Với kích thước nhỏ và tỉ số diện tích bề mặt/thể tích cao, các hạt từ micro và nano có thể gắn kết với các thành phần chức năng hóa để sử dụng cho việc tách chiết, đánh dấu, kết nối với các mục tiêu. Các hạt từ còn được sử dụng trong tăng tương phản hình ảnh cộng hường từ (MRI) [5, 107], thử nghiệm phân phối thuốc [31, 72, 106], tăng thân nhiệt [13, 62] và một số ứng dụng khác nơi mà các chuyển động được kích hoạt bằng từ tính. Một lĩnh vực nghiên cứu rất quan trọng hiện nay là phân tách các đối tượng bằng từ trường biến thiên. Trong kỹ thuật này, các đối tượng được đánh dấu bởi các hạt từ và sau đó sắp xếp phù hợp với không gian từ trường biến thiên [1, 15,40, 41, 44, 46, 48-50, 55, 76].
Các hạt từ thường được coi là các đối tượng hình cầu với kích thước từ một vài nm tới một vài µm và sự phân bố kích thước của chúng có thể rất hẹp tùy thuộc vào công nghệ chế tạo. Các vật liệu được sử dụng phổ biến để chế tạo các hạt từ là sắt và
ôxít sắt như hợp chất magnetite (Fe3O4) và maghemite (-Fe2O3) do sắt là nguyên tố có mômen từ cao nhất trong số các kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên sắt rất dễ bị ôxy hóa, do đó một dung dịch nền hoặc một lớp bảo vệ thường được sử dụng để bảo vệ các hạt sắt và cũng giúp các hạt sắt và ôxít sắt có tính tương thích sinh học hơn. Thông thường các hạt từ được phân bố trong nền polymer (polystyrene (PS) hoặc cao su), Si, hoặc SiO2. Tùy theo sự phân bố của các hạt từ trong nền mà chúng ta có ba kiểu cấu trúc chính như hình 1.5. Các hạt nano từ thường được tập hợp lại thành một lõi từ, sau đó lõi từ này được bảo vệ bởi lớp nền phi từ (hình 1.5a). Khi kích thước hạt từ tăng chúng thường được phân bố tự do trong nền phi từ hình cầu như hình 1.5b hoặc bao quanh một lõi phi từ và được bọc một lớp bảo vệ như hình 1.5c [27, 73].
Hình 1. 5. Các kiểu phân bố khác nhau của hạt từ trong lớp nền.
Lớp vỏ bảo vệ hay còn gọi là lớp nền nhằm giúp các hạt từ tránh khỏi tác động của môi trường bên ngoài thường là các lớp chức năng hóa. Chúng có thể là các hóa chất chuyên dụng đảm bảo cho việc tương tác giữa các hạt với các mục tiêu cụ thể là các đối tượng kích thước nm (các nguyên tử phóng xạ, các phân tử sinh học, các chuỗi DNA) hoặc µm (vi khuẩn, tế bào). Có nhiều kỹ thuật chức năng hóa và công nghệ chế tạo khác nhau [132].