Cơ chế của hiệu ứng nhiệt trị dựa trên quá trình hấp thụ năng lượng được cung cấp bởi từ trường xoay chiều của hạt nano từ. Khác với đốt nóng ngồi qua các cơ chế truyền nhiệt thơng dụng, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ có đặc điểm là nhiệt được tạo ra từ chính bản thân của các hạt nano từ, vật liệu không phải tiếp xúc nhiệt với nguồn và nguồn nhiệt có kích thước nano mét. Khi chất lỏng từ chứa hạt nano từ đặt trong từ trường xoay chiều có 4 cơ chế tổn hao có thể đóng góp vào q trình gia nhiệt như: cơ chế từ trễ - liên quan đến chuyển động đảo chiều từ độ theo từ trường ngồi, hồi phục Neel - chuyển động quay mơmen từ đơn hạt siêu thuận từ trong từ trường xoay chiều, hồi phục Brown - chuyển động quay tồn bộ hạt trong mơi trường chất lỏng, và dòng Fuco - dòng điện tử trên bề mặt hạt [77]. Đối với các hạt nano siêu thuận từ, tổn hao do dòng điện bề mặt được sinh ra là rất nhỏ và tổn hao do từ trễ cũng không gây được hiệu ứng nhiệt đáng kể. Vì vậy, đóng góp chính vào hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của các hạt nano siêu thuận từ như Fe và Fe-Co là do tổn hao hồi phục Néel và Brown.
Trong thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của hệ hạt nano từ trên một đơn vị khối lượng được gọi là công suất tổn hao riêng (SAR- Specific Absorption Rate) với đơn vị là W/g. Đại lượng này liên quan đến tốc độ gia nhiệt ban đầu T/ t và được tính tốn từ thực nghiệm thơng qua biểu thức [78]:
SAR C m
s
T (1)
m t
i
ở đây, C là nhiệt dung riêng của chất lỏng nano từ, ms là khối lượng của chất lỏng nano từ; mi là khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng nano từ, ΔT là độ gia tăng
của nhiệt độ và Δt là thời gian đốt. Giá trị đặc trưng khả năng gia nhiệt của vật liệu là tốc độ tăng nhiệt ban đầu , còn được ký hiệu là . Giá trị này được tính từ các đường thực nghiệm gia tăng nhiệt độ theo thời gian đốt nóng cảm ứng từ của mẫu.
Đối với ứng dụng nhiệt từ trị, chất lỏng hạt nano từ phải đảm bảo một số yêu cầu như: lượng hạt nano từ đưa vào cơ thể sống phải tối thiểu song vẫn đảm bảo lượng nhiệt sinh ra đủ lớn; chất lỏng từ ổn định trong thời gian dài, không kết đám, và tương thích sinh học trong mơi trường y sinh [79]. Để giải quyết các vấn đề này, các nghiên cứu tập trung vào hướng nâng cao công suất tổn hao của chất lỏng hạt nano từ. Công suất tổn hao phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý của hệ hạt nano từ như: từ độ bão hịa (MS), kích thước hạt (D) – phân bố kích thước hạt, dị hướng từ (K),... [80- 84]. Như vậy, để có được chất lỏng hạt nano từ tốt ứng dụng trong nhiệt từ trị, việc nghiên cứu tìm kiếm các hệ vật liệu hạt nano từ thích hợp là rất cần thiết.
Như đã trình bày ở trên, trong quá trình đốt nhiệt từ, khoảng nhiệt độ 41oC - 46oC (314 K - 319 K) là khoảng nhiệt độ làm việc quan trọng, trong khoảng nhiệt độ này, chỉ có các khối u bị tiêu diệt còn tế bào thường hầu như khơng bị ảnh hưởng [85]. Trong thực tế, rất khó để xác định được nhiệt độ một cách chính xác của các tế bào ung thư trong quá trình nhiệt từ trị. Vì vậy, một thơng số quan trọng của vật liệu ứng dụng là nhiệt độ bão hòa TS, nhiệt độ tối đa mà vật liệu có thể đạt được dưới tác động của một từ trường ngoài. Khi nhiệt độ của hạt nano đạt đến nhiệt độ TS chúng sẽ mất khả năng từ hóa. Do đó, nhiệt độ sẽ dừng lại mà khơng phải ngắt hoặc giảm từ trường ngồi. Q trình đó được gọi là đốt nóng cảm ứng từ tự khống chế nhiệt độ. Đối với các hệ hạt từ, có thể điều chỉnh TS bằng cách thay đổi nồng độ hạt từ hoặc các tham số từ trường ngoài để đạt được nhiệt độ TS nằm trong khoảng 41– 46 o
C đủ để tiêu diệt tế bào ung thư.
Chương 2