CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Các phƣơng pháp chế tạo
1.4.3. Phƣơng pháp hóa siêu âm
Phƣơng pháp hóa siêm âm là phƣơng pháp sử dụng sóng siêu âm để tăng cƣờng hoặc thay đổi các phản ứng hóa học trong chất lỏng. Tần số siêu âm là từ 20 kHz đến 10 MHz cao hơn ngƣỡng nhận biết của tai ngƣời (từ vài Hz đến 16 kHz). Ảnh hƣởng của sóng âm truyền qua chất lỏng đã đƣợc quan tâm từ lâu. Các nghiên cứu dựa trên phƣơng pháp hóa siêu âm sau này mới thu đƣợc nhiều kết quả [80]. Nhờ hiện tƣợng xâm thực trong chất lỏng dƣới tác dụng của sóng siêu âm, tốc độ giải thể các gốc tự do tăng, diện tích bề mặt giữa các chất phản ứng tăng,... nên sóng siêu âm hoạt động nhƣ một xúc tác, thúc đẩy phản ứng hóa học. Chi tiết về phƣơng pháp hóa siêu âm có xem trong các tài liệu tham khảo liên quan [2, 5, 22, 79, 81, 87, 89, 90].
Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng hóa học xảy ra dƣới tác dụng của sóng siêu âm nhƣ một dạng xúc tác [34]. Sóng siêu âm là sóng dọc, nó là q trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng. Khi sóng siêu âm đi qua một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Nếu cƣờng độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng chứa khí (bọt khí) trong chất lỏng. Điều này xảy ra khi áp suất âm đó lớn hơn sức căng địa phƣơng của chất lỏng. Sức căng cực đại này lại phụ thuộc vào từng chất lỏng và tạp chất ở trong đó. Thơng thƣờng, đây là một quá trình phát triển mầm; tức là, nó xuất hiện tại các điểm yếu tồn tại sẵn ở trong chất lỏng, nhƣ là những bọt khí hoặc những tiểu bọt khí tức thời có trong chất lỏng sinh ra từ những q trình tạo lỗ hổng trƣớc đó. Phần lớn các chất lỏng bị nhiễm bẩn bởi các hạt nhỏ mà lỗ hổng có thể xuất phát từ đó khi có mặt của áp suất âm.
Hình 1.13. Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lịng chất lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm. Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng khơng thể hấp thụ năng lượng sóng siêu âm được nữa nên bị suy sụp rất nhanh tạo thành
các điểm nóng.
Một khi đƣợc hình thành, các bọt khí nhỏ bị chiếu siêu âm sẽ hấp thụ năng lƣợng từ sóng siêu âm và phát triển lên. Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc vào cƣờng độ siêu âm. Khi cƣờng độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát triển rất nhanh. Sự giãn nở của các lỗ hổng đủ nhanh trong nữa đầu chu kì của một chu kì sóng siêu âm, nên đến nửa sau chu kì thì nó khơng có đủ thời gian để co lại nữa. Khi cƣờng độ siêu âm thấp hơn, các lỗ hổng xuất hiện theo một quá trình chậm hơn gọi là khuyếch tán chỉnh lƣu (hình 1.13). Dƣới các điều kiện này, k ch thƣớc của một lỗ hổng sẽ dao động theo các chu kì giãn nở và co lại. Trong khi dao động nhƣ thế lƣợng khí hoặc hơi khuyếch tán vào hoặc ra khỏi lỗ hổng phụ thuộc vào diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt thì sẽ lớn hơn trong quá trình giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại. Do đó, sự phát triển của lỗ hổng trong quá trình giãn nở sẽ lớn hơn trong quá trình co lại. Sau nhiều chu kì siêu âm, lỗ hổng sẽ phát triển. Lỗ hổng có thể phát triển đến một k ch thƣớc tới hạn mà tại k ch thƣớc đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả năng lƣợng của sóng siêu âm.
K ch thƣớc giới hạn đã nêu ở trên đƣợc gọi là k ch thƣớc cộng hƣởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng âm và loại chất lỏng [5]. K ch thƣớc này gọi
là k ch thƣớc cộng hƣởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng âm. Ví dụ, với tần số 20 kHz, k ch thƣớc này khoảng 170 mm. Lúc này, lỗ hổng có thể phát triển rất nhanh trong một chu kì duy nhất của sóng siêu âm. Một khi lỗ hổng đã phát triển quá mức, ngay cả trong trƣờng hợp cƣờng độ siêu âm thấp hay cao, nó sẽ khơng thể hấp thụ năng lƣợng siêu âm một cách có hiệu quả đƣợc nữa. Và khi khơng có năng lƣợng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu đƣợc. Chất lỏng ở xung quanh sẽ đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp. Sự suy sụp của lỗ hổng tạo ra các điểm nóng (hot spot). Điểm nóng này có nhiệt độ khoảng 5000ºC, áp suất khoảng 2000 at, thời gian sống nhỏ hơn 1 ms và tốc độ thay đổi nhiệt độ cỡ 1010
K/s [81].
Dựa vào cơng thức của Gogate và Pandit [79], ta có thể t nh đƣợc áp suất tại điểm nóng. 11 , 0 17 , 0 88 , 1 114R I f pdn r (1.2) trong đó pdn là áp suất tại điểm nóng trong khí quyển (atm), Rr là bán kính của mỗi bọt khí (mm),
I là cƣờng độ siêu âm (W/cm2 ), f là tần số siêu âm (kHz).
Bảng 1.7 cho giá trị áp suất tại điểm nóng tƣơng ứng với bán kính mỗi bọt khí. Với tần số f = 20 kHz, cƣờng độ siêu âm I = 10,06 W/cm2.
Bảng 1.7. Một số áp suất tƣơng ứng với bán kính mỗi bọt khí.
Bán kính mỗi bọt khí Rr (mm) Áp suất tại điểm nóng Pdn (atm)
0,05 29888,96 0,1 8120,34 0,2 2206,34 0,3 1029,4 0,4 599,37 0,5 349,01
Sự hình thành và nổ bọt khí tạo ra điểm nóng với các tính chất đặc biệt trên đƣợc gọi là hiện tƣợng xâm thực. Hiện tƣợng này giúp giải phóng một năng lƣợng gấp một nghìn tỷ lần năng lƣợng của sóng cung cấp. Nhƣ vậy siêu âm có thể làm tăng khả năng phản ứng, khả năng làm sạch lên cỡ hàng triệu lần. Hóa siêu âm đƣợc ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano nhƣ vật liệu nano xốp, nano dạng lồng, hạt nano, ống nano.
Kết luận chƣơng 1
Chƣơng này đã trình bày tổng quan về vật liệu FePd và CoPt với cấu trúc, t nh chất tiêu biểu và một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu nhƣ sau:
Về cấu trúc, vật liệu FePd và CoPt có đƣợc sự hấp dẫn đặc trƣng bởi pha trật tự L10, các nguyên tử Fe, Co chiếm giữ các vị trí (000), (½ ½ 0) và Pd, Pt chiếm giữ các vị trí (½ 0 ½), (0 ½ ½) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới sự méo mạng tứ diện, đối với pha lập phƣơng bất trật tự.
Quá trình chuyển pha cấu trúc từ pha bất trật tự sang pha trật tự L10 dẫn tới sự thay đổi về tính chất từ của các vật liệu, tạo ra các vật liệu có tính từ cứng mạnh với lực kháng từ lớn.
Các vật liệu FePd, CoPt đã đƣợc chế tạo bằng một số phƣơng pháp khác nhau, tuy nhiên các phƣơng pháp chế tạo có sử dụng siêu âm chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều. Hơn nữa, việc nghiên cứu về vật liệu hợp kim FePd và CoPt ở Việt Nam cịn khá mới mẻ, do đó cần có thêm các nghiên cứu cơ bản và có hệ thống. Với mục đ ch đóng góp thêm những hiểu biết về các vật liệu trên nền hai kim loại chuyển tiếp Fe và Co, chúng tôi nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm để chế tạo hạt nano FePd và phƣơng pháp hóa khử kết hợp siêu âm để chế tạo hạt nano CoPt, vì theo hiểu biết của chúng tôi, đây là hai phƣơng pháp chƣa từng đƣợc sử dụng để chế tạo tƣơng ứng các hạt nano FePd và CoPt.