1.4. Tổng quan về các nghiên cứu công suất đốt nóng cảm ứng từ
1.4.2. Các nghiên cứu lý thuyết
Các vật liệu dùng để làm lõi, vỏ hay dung môi của chất lỏng hạt nano từ rất
đa dạng và cơ chế vật lý hiệu ứng MIH phức tạp dẫn đến việc tồn tại nhiều mơ hình lý thuyết hiệu ứng này. Do thực tiễn ứng dụng trong y sinh, các hạt nano từ có
Hình 1.26. Sự phụ thuộc tốc độ gia nhiệt vào bán kính hạt của hệ hạt nano từ 1 – BaFe6O19, 2 – CoFe2O4, 3 – Fe3O4 và 4 –
γ-Fe2O3 ở từ trường 0.09 T, 300 kHz [19].
tượng kết đám [6] nên mơ hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính LRT được áp dụng phổ
biến. Các cơng trình nghiên cứu lý thuyết đều tập trung giải quyết vấn đề liên quan các thơng sốđặc trưng của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ và các yếu tổ ảnh hưởng lên chúng.
Theo mơ hình LRT, R. E Rosensweig lần đầu tiên tìm ra sự tồn tại các đỉnh cực trị (tốc độ gia nhiệt đạt cực đại) của cơng suất đốt nóng phụ
thuộc kích thước hạt đối với 4 chất lỏng từ, gồm BaFe6O19, CoFe2O4, Fe3O4 và γ-Fe2O3 (hình 1.26) [19]. Từ
biểu thức (1.26), tốc độ gia nhiệt đạt cực đại tương ứng với giá trị SARmax
hoặc SLPmax. Kết quả ban đầu của tác giả này cho thấy giá trị SLP phụ thuộc rất mạnh vào kích thước hạt và sự tồn
tại của giá trị cực trị SLPmax tại Dcp (kích thước tới hạn khi hệđạt giá trị SLPmax). Sự
tồn tại các giá trị cực trị này tiếp tục được phát hiện đối với các hệ chất lỏng từ
FeCo và FePt [20] bởi nhóm S. Maenosono và cộng sự [20]. Nhóm này khơng những lặp lại kết quả nghiên cứu về các giá trị Dcp cho hai chất lỏng từ Fe3O4 và γ- Fe2O3 mà còn bổ sung các giá trị tương ứng cho các hệ chất lỏng từ FeCo và FePt. Kết quả này hoàn toàn khớp với kết quả của các nhóm tác giả A. E. Deatsch [3], A. H. Habib [21] và J.-P. Fortin [22, 23].
Dựa vào mơ hình LRT, A. E. Deatsch và cộng sự [3] đã tìm thấy điều kiện của cực trị: SLP đạt giá trị cực đại SLPmax khi ωτ = 1 và so sánh luận điểm này với các kết quả thực nghiệm. Sự quan tâm của giới nghiên cứu chủ yếu là các giá trị
SLPmax và Dcp của từng hệ chất lỏng từ. Các nghiên cứu lý thuyết tập trung so sánh giá trị SLPmax của các hệ chất lỏng từ khác nhau để lựa chọn hệ nào có hiệu năng đốt nóng cảm ứng từ cao [19, 20]. Nghiên cứu thực nghiệm tập trung chế tạo các hệ
Hình 1.27. Sự phụ thuộc tốc độ gia nhiệt vào kính thước hạt của hệ hạt nano từ FeCo với các
giá trị dị hướng từ K khác nhau [21].
Trong nghiên cứu của nhóm tác giả A. H. Habib và các cộng sự [21], sự phụ thuộc các giá trị cực trị SLPmax và Dcp theo sự biến thiên của dị hướng từ K
được đề cập đến (hình 1.27). Sự thay đổi giá trị Dcp theo dị hướng từ K cũng được nhắc đến trong nghiên cứu của A. E. Deatsch và cộng sự [3]. Các kết quả này phù hợp với nhận định ban đầu của R. E Rosensweig [19] về sự khác nhau về các giá trị cực trị của các
hệ chất lỏng từ. Các nhận xét này chỉ là kết quảđơn lẻ của nhóm chất lỏng từ Fe3O4 hoặc FeCo. Các giá trị cực trị SLPmax và Dcp phụ thuộc như thế nào theo K cần được nghiên cứu hệ thống cho các nhóm chất lỏng từ khác nhau. Ngoài hai tham số cường độ và vị trí đỉnh ra, độ rộng của đỉnh cực đại trên đồ thị SLP(D) là vấn đề
quan trọng của đặc trưng cơng suất đốt nóng MIH. Trong các kết quả nghiên cứu [19-23], đồ thị SLP(D) có độ rộng nhỏ đối với các chất lỏng từ có giá trị K thấp.
Ngược lại, đối với các chất lỏng từ có giá trị K cao, đồ thị SLP(D) có độ rộng lớn. Sự dịch chuyển hình dạng đồ thị có thể quan sát thấy trong cơng bố của nhóm tác giả A. H. Habib và cộng sự [21] (hình 1.27), nhưng chưa được các tác giả này phân tích, nhận xét. Nguyên nhân của hiện tượng này là gì? Vấn đề này liên quan đến tối
ưu hóa hiệu ứng MIH đối với từng hệ chất lỏng từ trong các ứng dụng y sinh nhưng
lại chưa được quan tâm nghiên cứu.
Tóm lại, các cơng trình lý thuyết đến nay đã cho kết quả thống nhất về sự tồn tại dạng đỉnh của đường phụ thuộc SLP vào đường kính hạt, đặc trưng bởi hai tham số SLPmax và Dcp của hệ chất lỏng từnhưng sự ảnh hưởng của các tham số vật lý cả
của từtrường đo (H, f) cũng như của chất lỏng từ (phân bố kích thước hạt, độ nhớt, …) vẫn còn vấn đề chưa thống nhất [19-23]. Mặc dù vậy, các kết quả thu được cho một số gợi ý thú vị và phần nào gợi mở vềcơ chếđóng góp chính vào cơng suất đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng hạt nano từ. Phải kểđến kết quả nghiên cứu
trong luận án của TS. Phạm Hồng Nam trên hệ vật liệu M1-xZnxFe2O4 (M = Mn, Co) [109]. Bên cạnh các nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp và nổng độ Zn lên tính chất từ của hệ vật liệu kể trên, nội dung luận án còn đề cập đến các cơ chế
vật lý liên quan đến SLP trên một số mẫu tiêu biểu Mn0.5Zn0.5Fe2O4, Mn0.3Zn0.7Fe2O4 Co0.5Zn0.5Fe2O4 và Co0.3Zn0.7Fe2O4. Dựa vào cách biểu diễn SLP
phụ thuộc vào quy luật H2, kết quả chỉ rõ hệ mẫu Mn0.5Zn0.5Fe2O4 và Mn0.3Zn0.7Fe2O4 có SLP tuân theo quy luật H2 trong khi hệ mẫu Co0.5Zn0.5Fe2O4 và Co0.3Zn0.7Fe2O4 thì ngược lại. Điều này đã chứng tỏ LRT chỉ phù hợp cho hệ mẫu Mn0.5Zn0.5Fe2O4 và Mn0.3Zn0.7Fe2O4 có SLP tuân theo quy luật H2 [109]. Một kết quả nghiên cứu khác cũng được đánh giá cao là ảnh hưởng của kích thước hạt trên hệ vật liệu nano CoFe2O4@OA/OLA lên SLP lớn nhất. Bằng cách vận dụng các tham số tới hạn của hai mơ hình lý thuyết LRT và SWMBTs, đã chứng tỏ trong vùng kích thước từ6,3 nm đến 20,6 nm có sự cạnh tranh của hai cơ chế tổn hao hồi phục (Néel – Brown) và cơ chế tổn hao từ trễ. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu trong luận án của TS. Phạm Hồng Nam chỉ là một cơng trình thực nghiệm, tập trung vào tìm kiếm điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo mẫu và khảo sát ảnh hưởng của thành phần, kích thước lên tính chất từ, đặc trưng đốt nóng của hai hệ ferit điển hình. Điều này cho thấy các đặc trưng chung của hiệu ứng đốt nóng đối các hệ vật liệu khác nhau đến nay vẫn chưa được đề cập đến trong các cơng trình nghiên cứu mặc dù hiệu ứng này đối với từng hệ vật liệu khác nhau được nghiên cứu rất nhiều. Vì vậy, trong luận án này, nghiên cứu sinh tập trung nghiên cứu hệ thống và chi tiết
các đặc trưng chung nhất của hiệu ứng đốt nóng đối với tất cả các hệ vật liệu dựa trên các kết quả nghiên cứu trước đây và kết quả tính tốn số. Đồng thời, các kết luận mới rút ra từ kết quảtính tốn được minh họa bằng thực nghiệm trong luận án.
Ngồi ra, như đã trình bày ở trên thấy SLP phụ thuộc rất mạnh vào kích
thước hạt; và, sự tồn tại giá trị cực trị đối với sự phụ thuộc này thì các giá trị cực trị
Dcp và SLPmax phụ thuộc vào các tham số nội tại của vật liệu (Ms, K). Trong đó, vai trị của K là rất quan trọng quyết định đến sựthay đối giá trị SLP(D) đối với các hệ
hạt nano siêu thuận từnhư hình 1.27. Để làm sáng tỏhơn ảnh hưởng của K đến SLP chúng tôi tập trung nghiên cứu cả tính tốn bằng số và thực nghiệm nhằm giải quyết các vấn đề trên. Sự cạnh tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục (Néel – Brown) và
Tóm lược chương 1
Hiệu ứng MIH giúp các hạt nano trở thành các nguồn nhiệt có kích thước
nano dưới tác dụng của từtrường ngồi. Hiệu ứng này của các hệ chất lỏng hạt nano từ cho thấy khảnăng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong y sinh (như nhiệt từ trị, nhả thuốc bằng kích nhiệt từ, gia cơng tế bào v.v) và môi trường (giải hấp tái tạo chất hấp phụ). Đó cũng là lý do mà hiệu ứng MIH trở thành đối tượng nghiên cứu chính cả lý thuyết và thực nghiệm.
Đối với các hệ chất lỏng hạt nano từ, tổn hao từ trễ và tổn hao hồi phục hiệu dụng đóng góp chính vào cơng suất đốt nóng cảm ứng từ. Tuy nhiên, mơ hình LRT (tổn hao hồi phục hiệu dụng) được áp dụng phổ biến cho các hệ chất lỏng hạt nano từ do ưu điểm của các hạt nano siêu thuận từ trong ứng dụng y sinh và giới hạn an toàn của cơ thểngười (từtrường hệđo thấp).
Các khó khăn trong thực nghiệm khi nghiên cứu tối ưu hóa hiệu ứng MIH do sự phụ thuộc phức tạp của tính chất từ vào hình dạng và kích thước của hạt nano từ.
Đó là lý do mà các nghiên cứu lý thuyết thể hiện vai trò như “thực nghiệm số” để
nghiên cứu các đặc trưng đốt nóng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh
hưởng lên chúng. Đến nay, vấn đề nghiên cứu này vẫn là vấn đề mở với nhiều câu hỏi cần giải đáp: vai trò của các tham số vật lý (đặc biệt là độ nhớt, dị hướng từ) đến các thơng số tối ưu của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ như thế nào? Hay; sự cạnh tranh giữa cơ chế tổn hao hồi phục Néel và hồi phục Brown diễn ra như thế nào và chịu ảnh hưởng của tham số vật lý nào?
CHƯƠNG 2
KẾT QUẢ TÍNH TỐN CƠNG SUẤT ĐỐT NĨNG CẢM ỨNG TỪ
THEO MƠ HÌNH LÝ THUYẾT ĐÁP ỨNG TUYẾN TÍNH
Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ là hiệu ứng các hạt nano từ hấp thụ năng lượng từ từtrường ngồi để trở thành các nguồn nhiệt cục bộkích thước nano mét. Hiệu ứng này đã và đang được giới khoa học quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhất là trong y sinh. Hiệu ứng MIH là hiệu ứng vật lý thú vị và phức tạp; phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc vật liệu, kích thước hạt, tính chất từ của hệ hạt nano cũng như các thông số của từtrường đo [1-9].
Trong ứng dụng y sinh, hạt nano từ thường được tổng hợp với kích thước nằm trong khoảng 10 ÷ 50 nm và các hạt nano siêu thuận từ thể hiện nhiều ưu điểm nổi bật như được khử từ và tránh được việc tụđám, dễ tương thích sinh học, v…v. [6]. Bên cạnh đó, cường độ từ trường kích hoạt của hiệu ứng MIH thường thấp nhằm đảm bảo an toàn cho cơ thểngười, giá trị H thường nhỏhơn giá trị HC của hệ hạt nano từ [68]. Vì vậy, mơ hình đáp ứng tuyến tính (LRT) được áp dụng phổ biến trong các cơng trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hiệu ứng này.
Theo mơ hình LRT, công suất tổn hao riêng của hệ chất lỏng từ đạt giá trị cực đại SLPmax khi kích thước hạt nano từ bằng kích thước tới hạn Dcp nhằm thỏa mãn điều kiện ωτ = 1 [3]. Yêu cầu ứng dụng hiệu ứng MIH nói chung và cho nhiệt từ trịung thư nói riêng là lượng các hạt nano từđược đưa dùng phải tối thiểu nhưng vẫn phải đảm bảo nhiệt lượng sinh ra từ hiệu ứng này phải đủ lớn. Đó là lý do mà các nghiên cứu đều quan tâm giải quyết bài toán tối ưu hóa hiệu ứng MIH. Khi nghiên cứu về vấn đề này, trong khi nghiên cứu thực nghiệm gặp rất nhiều khó khăn vì phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp tổng hợp (như đã đề cập ở chương 1) thì nghiên cứu lý thuyết với vai trị “thực nghiệm số” có thể giải quyết. Do đó, trong chương này của luận án, chúng tơi tập trung trình bày các nghiên cứu tính tốn và phân tích kết quả về cơng suất đốt nóng cảm ứng từ theo mơ hình LRT.