CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG CỦA CHẤT LỎNG HẠT …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26766.pdf · Một số ứng dụng của hiệu ứng IH trong công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

--------------------------

LƯU HỮU NGUYÊN

CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------

LƯU HỮU NGUYÊN

CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TSKH. NGUYỄN XUÂN PHÚC

PGS.TS. PHẠM THANH PHONG

Hà Nội - 2019

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến

GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và PGS.TS. Phạm Thanh Phong – những người

Thầy đã dành cho tôi sự động viên, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện

thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Các Thầy thực sự là

những nhà khoa học mẫu mực, là tấm gương sáng cho bản thân tôi.

Tôi xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ và khích lệ của PGS.TS. Lê

Văn Hồng, PGS.TS. Đỗ Hùng Mạnh, PGS.TS. Vũ Đình Lãm, TS. Ngô Thị Hồng Lê

và TS. Lê Trọng Lư đã dành cho tôi trong những năm qua.

Bản luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ của các

đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thành viên thuộc

Phòng Vật lý vật liệu từ - siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y sinh vì sự giúp đỡ

thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá

trình thực hiện Luận án. Đặc biệt, tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ chí

tình đầy hiệu quả của TS. Phạm Hồng Nam, TS. Phạm Thị Thanh, NCS. Đỗ Khánh

Tùng, NCS. Phan Quốc Thông, ThS. Lê Thị Hồng Phong, ThS. Tạ Ngọc Bách.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Nguyễn Thị Kim Thanh

và TS. Lê Đức Tùng, Đại học London, Vương quốc Anh vì những bàn luận sâu sắc

trong hợp tác nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa

học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trường Cao đẳng Sư

phạm Nha Trang nay là Trường Đại học Khánh Hòa đã tạo điều kiện thuận lợi về

thời gian, tinh thần cũng như vật chất để tôi hoàn thành luận án.

Luận án này được hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng

ứng dụng mã số ĐT-NCCB-ĐHƯD-2012-G/08 (NAFOSTED), đề tài hợp tác quốc

tế FA2386-14-1-0025 và FA2386-17-1-4042 (AOARD), và đề tài nghiên cứu cơ

bản mã số103.02–2015.74 (NAFOSTED). Luận án được thực hiện tại Phòng Vật lý

vật liệu từ và siêu dẫn và Phòng Vật liệu Nano Y sinh (VKHVL – VHLKHCNVN).

ii

Nhân dịp này tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình với bạn bè, Thầy cô

và những người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng

xin được cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ và những lời động viên, chia sẻ những khó

khăn khi thực hiện luận án của anh chị em trong tổ Vật lý – KTCN, Khoa Tự nhiên

của Trường Đại học Khánh Hòa.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình.

Những lời động viên của bố mẹ, vợ con thực sự là những tình cảm vô giá, là nguồn

động lực tinh thần vô tận giúp tôi hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

Lưu Hữu Nguyên

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng

dẫn khoa học của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Phúc và PGS.TS. Phạm Thanh Phong.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã được xuất

bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Lưu Hữu Nguyên

iv

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

I. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

aexp : hằng số mạng

Aex : hệ số tương tác trao đổi

C : nhiệt dung riêng của hệ chất lỏng từ

dhkl : hằng số mạng của tinh thể

dsp : đường kính tới hạn siêu thuận từ

D : kích thước hạt – đường kính hạt

DB : đường kính – tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế

Dcp : kích thước tới hạn

DH : đường kính động học

DN : đường kính – tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế

DSPM : đường kính siêu thuận từ tới hạn

DXRD : kích thước hạt tinh thể

D0

: giá trị trung bình của đường kính

Ea : năng lượng kích hoạt

EH : năng lượng dị hướng từ tinh thể

f : tần số

( )g D

: hàm phân bố log-tự nhiên

H : cường độ từ trường

HC : lực kháng từ

hkl : các chỉ số Miler

K : dị hướng từ

KC : giá trị dị hướng từ phân tách nhóm A – nhóm B

Keff : dị hướng từ hiệu dụng

KS : hằng số dị hướng bề mặt

KV : hằng số dị hướng từ tinh thể

kB : hằng số Boltzman

M : từ độ

v

MD : từ độ đô men khối

MH : thành phần từ độ song song với từ trường

Mr : từ dư

MS : từ độ bão hòa

ms : khối lượng của chất lỏng từ

mi : khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng từ

P : công suất đốt nóng cảm ứng từ

Phys : công suất toả nhiệt trong một chu trình từ trễ

PN : công suất đốt nóng do tổn hao hồi phục Néel

PLRT : công suất đốt nóng cảm ứng từ theomô hình LRT

LRTP

: công suất đốt nóng cảm ứng từ trung bình

rc : bán kính tới hạn

T : nhiệt độ

TB : nhiệt độ khóa

Tc : nhiệt độ Curie

V : thể tích

β : bề rộng vạch ở 1/2 giá trị cường độ cực đại

τ : thời gian hồi phục

τB : thời gian hồi phục Brown

τm : thời gian đặc trưng của các phép đo

τN : thời gian hồi phục Néel

τ0 : thời gian hồi phục đặc trưng của hệ hạt nano siêu thuận từ không

tương tác

max

S

SLPM

∆∆

: độ dốc của hàm tuyến tính SLPmax(MS)

∆Dcp : độ rộng bán vạch

Tt

∆∆

: tốc độ gia nhiệt

δ : độ dày lớp bọc

vi

δ± : xác suất chuyển trạng thái

μ0 : độ từ thẩm chân không

ρc : khối lượng riêng

ω : tần số góc ,,χ : phần ảo của độ cảm từ xoay chiều

χd : độ cảm từ xoay chiều ở vùng từ trường cao

η : độ nhớt

σ : độ lệch chuẩn của phân bố kích thước

λ : bước sóng

θ : góc Bragg

II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT

AMF Alternative Magnetic field từ trường xoay chiều

BBB Blood – Brain barrier hàng rào thế của máu – não

DBB hyperthermia-based drug

delivery through bond breaking

nhả thuốc bằng kích nhiệt từ

thông qua phá vỡ liên kết

DEP hyperthermia-based controlled

drug delivery through enhanced

permeability

nhả thuốc bằng kích nhiệt từ qua

độ thẩm từ tăng cường

FESEM Field emission scanning

electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ

trường

IH Induction heating Đốt nóng cảm ứng

LRT Linear response theory Lý thuyết đáp ứng tuyến tính

vii

MIH Magnetic Inductive Heating Đốt nóng cảm ứng từ

SAR Specific Absorption Rate tốc độ hấp thụ riêng

SARmax tốc độ hấp thụ riêng cực đại

SLP Specific Loss Power công suất tổn hao riêng

SLPmax công suất tổn hao riêng cực đại

SQUID Superconducting quantum

interference device

Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn

SWMBTs Stoner – Wohlfarth Model

Based Theories

Lý thuyết dựa trên mô hình

Stoner – Wohlfarth

VOC Volatile Organic Compound các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

VSM Vibrating sample

magnetometer

Hệ từ kế mẫu rung

XRD X-ray difraction Nhiễu xạ tia X

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Cấu trúc đô men trong hạt từ.

Hình 1.2. Hình mô tả năng lượng của một hạt đơn đô men có dị hướng đơn

trục.

Hình 1.3. Nhiệt độ khóa phụ thuộc thời gian thực nghiệm cho hai trường hợp

τSQUID ≈ 102 s, τFMR ≈ 10-10 s.

Hình 1.4. Đường từ hóa theo các trục dễ, trung bình và khó của tinh thể: a) Fe,

b) Ni và c) Co.

Hình 1.5. Sơ đồ mô tả năng lượng dị hướng từ tinh thể.

Hình 1.6. Sự sắp xếp spin bề mặt của các hạt sắt từ trong hai trường hợp dị

hướng bề mặt khác nhau K < 0 và K > 0.

Hình 1.7. Dị hướng từ phụ thuộc và đường kính hạt.

Hình 1.8. Mô hình mô tả quá trình tổng hợp chất lỏng từ.

Hình 1.9. Một số ứng dụng của hiệu ứng IH trong công nghiệp: (a) nung chảy

kim loại, (b) làm cứng đường ray, (c) làm mối liên kết và (d) niêm

phong.

Hình 1.10. Quá trình đốt nhiệt tự khống chế nhiệt độ của các hạt ferrite spinel (từ

trường 56 kHz, 100 Oe).

Hình 1.11. Mô hình mô tả quá trình gia công tế bào để điều chỉnh độ insulin.

Hình 1.12. Sơ đồ hai cơ chế phân phối thuốc có kiểm soát bằng phương pháp

nhiệt: a) DBB và b) DEP.

Hình 1.13. Mô hình nhiệt từ trị ung thư.

Hình 1.14. Một số ứng dụng của hiệu ứng MIH.

Hình 1.15. Điều kiện áp dụng của các mô hình lý thuyết tổn hao Rayleigh,

SWMBTs và LRT.

Hình 1.16. Chu trình từ trễ vuông lý tưởng.

Hình 1.17. Sự phụ thuộc của tổn hao từ trễ vào cường độ từ trường với (a) các

mẫu Fe3O4 chế tạo bằng các phương pháp khác nhau và (b) các mẫu

ix

có kích thước khác nhau.

Hình 1.18. Sự phụ thuộc của công suất tổn hao vào kích thước hạt Fe3O4.

Hình 1.19. Quá trình tổn hao hồi phục Néel.

Hình 1.20. Quá trình tổn hao hồi phục Brown.

Hình 1.21. Mô hình hóa đường cong từ hóa.

Hình 1.22. Sự phụ thuộc SAR vào ωτ.

Hình 1.23. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau.

Hình 1.24. SLP phụ thuộc vào đường kính hạt Fe3O4.

Hình 1.25. Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của CoFe2O4 và Fe3O4 ứng với các

độ nhớt khác nhau.

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.

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.

Hình 2.1. Sự phụ thuộc vào D của các thời gian hồi phục đối với các hệ chất

lỏng hạt nano từ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d)

Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.2. Sự phụ thuộc của SLP vào D của các hệ chất lỏng hạt nano từ FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với từ trường 65 Oe,

236 kHz.

Hình 2.3. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các cường độ từ trường khác

nhau của các hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4,

(e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.4. Sự phụ thuộc vào H của tỷ lệ

( )( )( )50

SLP HSLP H Oe=

đối với các hệ FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với đường kính (a) 4

nm và (b) 36 nm.

x

Hình 2.5. Sự phụ thuộc vào H của tỷ lệ

( )( )( )

max

max 50SLP H

SLP H Oe= đối với các hệ FeCo,

LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp.

Hình 2.6. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các tần số khác nhau của các hệ

(a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và

(f) FePt.

Hình 2.7. Sự phụ thuộc vào f của tỷ lệ

( )( )( )100

SLP fSLP f kHz=


LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt có kích thước hạt 5 nm.

Hình 2.8. Sự phụ thuộc vào f của SLP đối với các hệ FeCo, LSMO, MnFe2O4,

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.

Hình 2.9. Sự phụ thuộc vào f của

( )( )( )100

SLP fSLP f kHz=


LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp ( f

= 100 kHz).

Hình 2.10. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các giá trị Ms khác nhau của các

hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4

và (f) FePt.

Hình 2.11. Sự phụ thuộc vào MS của SLPmax của các hệ (a) FeCo, (b)

La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.12. Sự phụ thuộc SLP vào D ứng với các độ nhớt η khác nhau của các hệ

(a) CoFe2O4 và (b) FePt.

Hình 2.13. Sự phụ thuộc SLPmax vào MS ứng với các độ nhớt η khác nhau của các

hệ (a) CoFe2O4 và (b) FePt.

Hình 2.14. Sự phụ thuộc vào D của SLP đối với các hệ (a) FeCo, (b) LSMO, (c)

MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt ứng với các σ khác

nhau.

xi

Hình 2.15. Sự phụ thuộc vào σ của

( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với các hệ FeCo, LSMO,

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.


( )( )

max

max 0SLP

SLPσ


MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với tần số (a)100 kHz và (b) 1

MHz.


( )( )

max

max 0SLP

SLPσ


MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với độ nhớt (a) 1 mPa•s và (b)

5mPa•s.

Hình 2.18. Đồ thị SLP(D) của hệ chất lỏng hạt nano từ Fe3O4 với các giá trị K

khác nhau.

Hình 2.19. Sự phụ thuộc vào K của hai tham số Dcp và ∆Dcp của hệ chất lỏng hạt

nano từ Fe3O4 với các giá trị K khác nhau.


( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với hệ chất lỏng hạt nano từ

Fe3O4.

Hình 2.21. Đồ thị DC (K) ứng với (a) các tần số khác nhau hoặc (b) các độ nhớt

khác nhau.

Hình 2.22. Đồ thị KC (a) theo f với hàm: ( ) ( )( )1 0

1 1 B f fCK f A e− × −= − ,

hoặc (b) theo η với hàm: ( ) 2 2CK A Bη η= + × .

Hình 3.1. Cấu tạo đơn giản của một bình thủy nhiệt.

Hình 3.2. Sơ đồ tổng hợp hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4.

Hình 3.3. Thiết bị Siemens D5000.

Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.5. Ảnh FESEM của các mẫu (a) MFT100; (b) MFT180; (c) CFT100 và

(d) CFT180.

xii

Hình 3.6. Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Hình 3.7. Đường từ hóa ban đầu và đường làm khớp theo định luật chậm tới hạn

của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Hình 3.8. Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ CoFe2O4.

Hình 3.9. Đường từ hóa ban đầu và đường làm khớp theo định luật tiệm cận tới

bão hòa của các hệ hạt nano từ CoFe2O4.

Hình 3.10. Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu (a) MFT120; (b)

MFT140; (c) MFT160 và (d) MFT180.

Hình 3.11. Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu(a) CFT120; (b)

CFT140; (c) CFT160 và (d) CFT180.

Hình 3.12. Hệ phát từ trường xoay chiều: Model RDO-HFI.

Hình 3.13. (a) Minh họa bố trí thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, (b) cách xác

định tốc độ tăng nhiệt ban đầu từ đường nhiệt độ đốt phụ thuộc thời

gian.

Hình 3.14. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b)

CFT100 cho từ trường các cường độ khác nhau, tần số f = 236 kHz.

Hình 3.15. Phụ thuộc SAR vào từ trường đo cho 2 chất lỏng từ MFT100 và

CFT100.

Hình 3.16. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b)

CFT100 đo tại từ trường cùng cường độ 80 Oe với 3 tần số khác nhau

Hình 3.17. Giá trị của SAR phụ thuộc vào f.

Hình 3.18. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ nền hạt nano kích

thước khác nhau, của: (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.19. Giá trị SAR/MS và SLP/MS của chất lỏng từ MnFe2O4.

Hình 3.20. Giá trị SAR/MS và SLP/MS của chất lỏng từ CoFe2O4.

Hình 3.21. Đường gia nhiệt đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ: (a)

MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Hình 3.22. Sự phụ thuộc SAR vào độ nhớt của các hệ chất lỏng từ (a) MnFe2O4 và

(b) CoFe2O4.

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Một số vật liệu được dùng làm lõi, vỏ và dung môi của chất lỏng từ.

Bảng 1.2. Kích thước của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 1.3. Dị hướng từ của một số vật liệu khối.

Bảng 1.4. Dị hướng từ của Fe3O4.

Bảng 1.5. Giá trị SAR của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 2.1. Tính chất từ của các hệ hạt nano từ.

Bảng 2.2. Các giá trị DN, DNB, DB, Dcp và ∆Dcp của các chất lỏng hạt nano từ (tần

số 236 kHz).

Bảng 2.3. Giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ tính theo các tần số từ trường khác

nhau.

Bảng 2.4. Độ dốc max

s

SLPM

∆∆

của các hệ chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4,

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.

Bảng 2.5. Các giá trị DN, DNB, DB và Dcp của các chất lỏng hạt nano từ FeCo và

Fe3O4.

Bảng 2.6. Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của hai hệ CoFe2O4 và FePt.

Bảng 2.7. Các giá trị max

S

SLPM

∆∆

và hệ số làm khớp hàm R2 của các hệ FeCo,

CoFe2O4 và FePt ứng với các độ nhớt khác nhau.

Bảng 2.8. Giá trị ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =của các hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 2.9. Giá trị ∆Dcp các hệ chất lỏng hạt nano từ.

Bảng 2.10. Các giá trị ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ =và SLPmax của các hệ chất lỏng hạt nano từ

MnFe2O4 và CoFe2O4.

Bảng 2.11. Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của chất lỏng hạt nano từ Fe3O4.

Bảng 2.12. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp thay đổi theo K ứng với các tần số khác nhau.

xiv

Bảng 2.13. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp thay đổi theo giá trị K ứng với các độ nhớt

khác nhau (100 kHz).

Bảng 2.14. Các giá trị KC ứng với các độ nhớt khác nhau hoặc các tần số khác

nhau.

Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các mẫu nghiên cứu.

Bảng 3.2. Các giá trị DXRD và aexp.

Bảng 3.3. Các giá trị MS, Keff và DSPM của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Bảng 3.4. Các giá trị MS, HC, MR và Keff của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4.

Bảng 3.5. Phân bố kích thước động học của các hệ chất lỏng từ.

Bảng 3.6. Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100 ứng với

cường độ từ trường khác nhau.

Bảng 3.7. Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100 ứng với

tần số khác nhau.

Bảng 3.8. Các giá trị SAR và SAR /MS của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Bảng 3.9. Các giá trị SAR và SAR /MS của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4.

Bảng 3.10. SLP và SAR của các hệ CFT100 và MFT100.

Bảng 3.11. Các thời gian hồi phục của MFT00 và CFT100.

xv

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt iv

Danh mục các hình vẽ và đồ thị viii

Danh mục các bảng xiii

MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1

Chương 1. HIỆU ỨNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG TỪ CỦA CHẤT LỎNG HẠT

NANO TỪ ....................................................................................................... 7

1.1. Tổng quan về hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ ............................................. 7

1.1.1. Hạt nano từ và hạt siêu thuận từ: những đặc tính cơ bản ................. 7

1.1.1.1. Đô men của các hạt nano từ ............................................ 7

1.1.1.2. Trạng thái siêu thuận từ .................................................. 9

1.1.1.3. Sự phụ thuộc của dị hướng từ theo kích thước hạt .......... 11

1.1.2. Chất lỏng từ: chế tạo và ứng dụng .................................................. 14

1.1.3. Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ và ứng dụng ................................... 16

1.2. Các cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ ................................. 22

1.2.1. Các yếu tố đóng góp cho công suất đốt nóng cảm ứng từ................ 22

1.2.2. Tổn hao từ trễ ................................................................................. 23

1.2.3. Tổn hao hồi phục Néel ................................................................... 26

1.2.4. Tổn hao hồi phục Brown ................................................................ 27

1.2.5. Lý thuyết đáp ứng tuyến tính LRT .................................................. 28

1. 3. Các khó khăn, thách thức trong nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa hiệu ứng

đốt nóng cảm ứng từ của hệ chất lỏng hạt nano từ ........................................... 30

1.3.1. Kích thước hạt và vấn đề khống chế kích thước hạt, độ hẹp phân bố kích

thước ....................................................................................................... 31

1.3.2. Từ độ hạt nano và vấn đề suy giảm từ độ do lớp chết từ bề mặt ..... 33

1.3.3. Độ dị hướng từ trong các hạt nano từ chế tạo ................................. 34

1.3.4. Các yêu cầu về độ nhớt trong các ứng dụng khác nhau ................... 37

xvi

1.4. Tổng quan về các nghiên cứu công suất đốt nóng cảm ứng từ ................... 37

1.4.1. Các nghiên cứu thực nghiệm .......................................................... 37

1.4.2. Các nghiên cứu lý thuyết ................................................................ 40

Tóm lược chương 1 ......................................................................................... 44

Chương 2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG

TỪ THEO MÔ HÌNH ĐÁP ỨNG TUYẾN TÍNH ........................................ 45

2.1. Các đặc trưng công suất đốt nóng cảm ứng từ ............................................ 46

2.1.1. Sự cạnh tranh giữa hai đóng góp tổn hao hồi phục ......................... 47

2.1.2. Biểu hiện đỉnh cực đại của đường SLP phụ thuộc kích thước hạt .... 50

2.1.3. Đặc trưng tham số tối ưu của các vùng có cơ chế tổn hao khác nhau 52

2.2. Ảnh hưởng của các tham số vật lý đến tham số công suất tối ưu ................ 53

2.2.1. Các tham số của từ trường kích hoạt ............................................... 53

2.2.2. Từ độ bão hòa ................................................................................ 62

2.2.3. Độ nhớt của mẫu chất lỏng ............................................................. 66

2.2.4. Phân bố kích thước hạt ................................................................... 71

2.3. Vai trò của tham số dị hướng từ trong sự cạnh tranh đóng góp giữa tổn hao hồi

phục Néel và Brown. ........................................................................................ 77

2.4. Một số định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm ....................................... 86

Kết luận chương 2 .......................................................................................... 89

Chương 3. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ

THUYẾT ......................................................................................................... 90

3.1. Chế tạo các chất lỏng từ CoFe2O4 và MnFe2O4 .......................................... 91

3.1.1. Hóa chất và thiết bị ......................................................................... 91

3.1.2. Quy trình chế tạo hệ hạt nano từ ..................................................... 91

3.1.3. Chế tạo chất lỏng từ........................................................................ 92

3.2. Đặc trưng cấu trúc tinh thể và tính chất từ.................................................. 93

3.2.1. Cấu trúc tinh thể ............................................................................. 93

3.2.2. Tính chất từ của hai hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4 .................. 96

3.3. Đường kính động học và độ nhớt chất lỏng từ ........................................... 100

3.3.1. Đường kính động học của các hạt nano từ ...................................... 100

xvii

3.3.2. Độ nhớt chất lỏng từ ....................................................................... 103

3.4. Hệ thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ ........................................................ 104

3.5. Một số thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết ...................... 106

3.5.1. Ảnh hưởng của từ trường đo đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ .... 106

3.5.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano từ đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng

từ ............................................................................................................. 110

3.5.3. Phân tích đóng góp của tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục

Brown ..................................................................................................... 115

Kết luận chương 3 .......................................................................................... 120

KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................... 122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......... 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............ 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 126

1

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ gần đây, khoa học và công nghệ nano đã và đang tạo ra

nhiều điều kỳ diệu đến nỗi người ta xem nó như một cuộc cách mạng trong thế kỷ

21. Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo

và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích

thước trên quy mô nano mét. Đối tượng của các công nghệ này chính là các vật liệu

nano. Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1-100 nm có những tính

chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối cùng thành phần. Điều này là do ảnh hưởng

của hiệu ứng kích thước. Các vật liệu nano đã mở ra những ứng dụng mới trong

điện tử, cơ khí, xử lý môi trường, và đặc biệt trong y sinh.

Các hạt nano từ với kích thước nano mét được ứng dụng rất nhiều trong các

lãnh vực như xử lý môi trường, xúc tác, y sinh. Thí dụ, các hạt nano từ được dùng

để tách chiết các tế bào và các thực thể sinh học dựa trên tính chất từ của chúng [1].

Dưới ảnh hưởng của từ trường cục bộ, các hạt nano từ được sử dụng để làm tăng độ

tương phản ảnh cộng hưởng từ hạt nhân [1]. Đặc biệt, hiệu ứng đốt nóng cục bộ hay

còn gọi hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (Magnetic Inductive Heating – MIH) của vật

liệu hạt nano từ hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong nhiệt từ trị ung thư, nhả

thuốc bằng kích nhiệt từ, rã đông trong y sinh [1-8].

Đối với các vật liệu điện – từ, đốt nóng cảm ứng (Induction Heating – IH) là

hiệu ứng vật lý mà các vật liệu này trở thành các nguồn sinh nhiệt khi chúng được

đặt trong một từ trường xoay chiều. Đó là quá trình sinh nhiệt liên quan đến tổn hao

do hiệu ứng Joule và tổn hao liên quan đến tính chất từ của hạt nano [9]. Khi kích

thước của vật liệu cỡ nanomét, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng chủ yếu do các cơ chế

tổn hao liên quan đến tính chất như tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục, v…v. Hiệu ứng

IH trở thành hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH) đối với các vật liệu nano từ.

Trong các ứng dụng y sinh, các hạt nano từ thường được phân tán trong một

dung môi có khả năng hoà tan để tạo thành một chất lỏng hạt nano từ (chất lỏng

từ)[10]. Một chất hoạt động bề mặt sẽ bao phủ bên ngoài các hạt nano từ có tác

2

dụng ngăn cản việc kết tụ, và giữ cho chúng phân tán tốt trong nhiều năm [10]. Do

đó, một chất lỏng từ thường gồm lõi, vỏ và dung môi. Vật liệu được sử dụng để

làm lõi, vỏ hay dung môi trong chế tạo chất lỏng từ rất đa dạng. Các hạt nano từ

dạng kim loại, hợp kim, oxit kim loại hoặc các hỗn hợp oxit từ 2 thành phần có thể

được dùng làm lõi trong chất lỏng từ [5-7]. Lớp vỏ của các hạt này có thể là các

polyme, copolyme hoặc các oxit kim loại [5-7]. Quá trình tổng hợp chất lỏng từ

được thực hiện trong môi trường nước hay các dung môi khác như benzyl ether,

phenyl ether [5-7]. Có rất nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano từ khác nhau như

đồng kết tủa [11,12], sol-gel [13,14], thủy nhiệt [15,16] và phương pháp phân hủy

nhiệt [17,18] (tổng hợp trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ sôi cao). Tùy vào phương

pháp chế tạo và vật liệu sử dụng, hạt nano từ có chất lượng khác nhau về kích thước

và phân bố kích thước hạt, độ hoàn hảo tinh thể hay tính chất từ của chúng. Do đó,

việc nghiên cứu ảnh hưởng của một hay nhiều thông số của chất lỏng hạt nano từ

đến một hiệu ứng vật lý cụ thể gặp rất nhiều khó khăn trong thực nghiệm.

Ngoài ra, thực tiễn ứng dụng hiệu ứng MIH của chất lỏng hạt nano từ trong y

sinh 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 môi trường y sinh [6].

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. Đến nay, các kết quả nghiên cứu cho thấy

đại lượng này phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý như kích thước hạt (D) – phân bố

kích thước hạt, từ độ bão hòa (MS), dị hướng từ (K), độ nhớt chất lỏng từ (η),…

cũng như các thông số của từ trường ngoài xoay chiều (Alternative Magnetic field –

AMF) (H và f) [19-23]. Vì có quá nhiều thông số ảnh hưởng đến công suất nên các

nghiên cứu thực nghiệm về tối ưu hóa hiệu ứng MIH gặp nhiều khó khăn. Vì thế,

việc nghiên cứu vai trò của các tham số vật lý lên các loại vật liệu khác nhau ở khía

cạnh lý thuyết không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn giúp cho quá trình thực

nghiệm được dễ dàng hơn vì nó chính là “thực nghiệm số” góp phần dự đoán được

3

kết quả thực nghiệm, từ đó có thể điều chỉnh các thông số thực nghiệm để tìm kiếm

các vật liệu phù hợp theo mong muốn của nhà nghiên cứu.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan đến vật liệu

nano từ được nhiều nhóm quan tâm như nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học vật

liệu, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý

của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội ... Tuy nhiên, chỉ

có nhóm của GS. TSKH. Nguyễn Xuân Phúc ở Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu

sâu về cơ chế vật lý và thực nghiệm liên quan đến hiệu ứng MIH, cụ thể là các

nghiên cứu tập trung vào cả hai khía cạnh: một là công nghệ chế tạo các hạt nano

kim loại (như Fe [24]); các hạt oxit kim loại Fe3O4 [25]; các hệ nano pha tạp

Mn0.3Zn0.7Fe2O4 [26], Mn0.5Zn0.5Fe2O4 [27], La0.7Sr0.3MnO3 [28, 29] hay các hệ

nano từ theo cấu trúc lõi – vỏ Fe3O4@ poly(styrene-co-acrylic acid) [30], Fe3O4@

poly (Nisopropylacrylamide-co-acrylic acid) [31] và hai là làm sáng tỏ các cơ chế

vật lý liên quan đến hiệu ứng MIH trên cả hai phương diện thực nghiệm và lý

thuyết. Đến nay, thành tựu về nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng MIH khá phong

phú và đa dạng. Các kết quả đã thể hiện được các ưu điểm của từng loại vật liệu

được dùng làm lõi hoặc chất mang của chất lỏng từ trong ứng dụng y sinh [1-5].

Bên cạnh đó, các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của tham số vật lý lên hiệu

ứng MIH đã góp phần đáng kể vào việc làm sáng tỏ cơ chế vật lý của hiệu ứng này.

Mặc dù vậy, các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của từng tham số vật lý đến

hiệu ứng MIH chưa được đề cập đến một cách chi tiết và hệ thống. Ngay cả các

nghiên cứu lý thuyết gần đây cũng chưa được phân tích kỹ vấn đề này. Do đó, hàng

loạt câu hỏi đặt ra trong quá trình nghiên cứu cần phải có câu trả lời thỏa đáng. Các

câu hỏi đó là: với kích thước hạt (tới hạn) nào trong từng vật liệu cụ thể, hiệu ứng

MIH là tối ưu. Cũng câu hỏi như thế cho từ độ, đường kính động học và quan trọng

hơn là dị hướng từ của hạt nano từ. Các chất lỏng từ chứa hạt nano có dị hướng từ

thấp và cao sẽ ảnh hưởng lên các tham số đặc trưng của hiệu ứng MIH như thế nào?

Nói cách khác, liệu trong hiệu ứng MIH, chúng ta có thể phân lớp vật liệu dựa trên

4

đặc tính này hay dựa trên các yếu tố vật lý khác. Ngoài ra, độ phân tán hạt hay độ

nhớt thay đổi ảnh hưởng như thế nào đến hiệu ứng MIH? Giải quyết tốt vấn đề này

sẽ góp phần tối ưu hóa hiệu ứng MIH trong từng vật liệu cụ thể và định hướng khả

năng ứng dụng của các hệ vật liệu này. Rõ ràng việc giải quyết bài toán này là một

thách thức không chỉ cho nhóm nghiên cứu của chúng tôi mà còn cho các nhóm

nghiên cứu khác trên thế giới.

Dựa trên tình hình thực tế và các điều kiện nghiên cứu như thiết bị thí

nghiệm, tài liệu tham khảo, khả năng cộng tác nghiên cứu với các nhóm nghiên cứu

trong và ngoài nước,… chúng tôi cho rằng việc nghiên cứu và giải quyết các vấn đề

nêu trên là hoàn toàn khả thi và có thể cho nhiều kết quả khả quan.

Với những lý do đã nêu, chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu của luận án

là: “Các đặc trưng đốt nóng cảm ứng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh

hưởng”.

Mục tiêu của luận án tập trung vào hai vấn đề sau: (i) Nghiên cứu các đặc

trưng đốt nóng của chất lỏng hạt nano từ và các yếu tố ảnh hưởng lên chúng dựa

trên kỹ thuật tính toán bằng số; (ii) Từ các kết quả tính toán, thực hiện nghiên cứu

bằng thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vật lý lên đặc trưng hiệu

ứng MIH trên hai hệ mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 nhằm so sánh với các tính toán lý

thuyết thu được.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Các tính toán bằng số trình bày trong luận án góp phần định hướng và tối ưu

hóa các nghiên cứu thực nghiệm trong việc lựa chọn vật liệu, khống chế kích thước

trong vùng có công suất tổn hao lớn nhất. Mặt khác tìm kiếm các thông số ảnh

hưởng đến quá trình nhiệt từ trị góp phần quan trọng trong việc hiểu sâu các cơ chế

vật lý, đóng góp quan trọng vào việc định hướng ứng dụng các vật liệu nano từ

trong y sinh.

Các phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong Luận án: phương

pháp mô phỏng bằng số kết hợp với thực nghiệm để làm sáng tỏ ảnh hưởng của các

5

tham số vật lý và vật liệu lên hiệu ứng MIH. Các tính toán lý thuyết thực chất là

“thực nghiệm số” dựa trên phần mềm MATLAB. Các mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 sử

dụng trong luận án đều là mẫu ferit được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt tại

Phòng thí nghiệm Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn

lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các đặc trưng cấu trúc, hình thái và thành

phần của mẫu được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và ảnh hiển vi điện

tử quét phát xạ trường (FESEM). Các phép đo đường kính động học bằng kỹ thuật

tán xạ ánh sáng động (DLS), độ nhớt của chất lỏng từ bằng hệ máy Sine wave Vibro

Viscometer SV 10 tại Viện Khoa học Vật liệu. Các phép đo từ tính được thực hiện

trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) của Phòng thí nghiệm vật lý vật liệu từ và siêu dẫn,

phép đo đốt nóng cảm ứng từ thực hiện trên hệ đo dùng máy phát thương mại

Model: RDO-HFI, công suất 5 kW đặt tại Phòng Vật liệu Nano y sinh, thuộc Viện

Khoa học vật liệu.

Nội dung của luận án bao gồm ba phần: (i) Phần tổng quan về hiệu ứng đốt

nóng cảm ứng từ của chất lỏng hạt nano từ. (ii) Tiếp theo là các kết quả tính toán

công suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính. (iii) Cuối

cùng, các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên hai hệ hạt nano

từ CoFe2O4 và MnFe2O4.

Bố cục của luận án: Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung

cùng phần mở đầu và kết luận. Cụ thể như sau:

• Mở đầu

• Chương 1. Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng hạt nano từ

• Chương 2. Kết quả tính toán công suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô

hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính

• Chương 3. Thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán

• Kết luận

6

Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 06 công trình khoa học,

bao gồm 02 bài báo trên các tạp chí quốc tế (ISI), 03 bài báo trên các tạp chí trong

nước và 01 bài báo cáo tại Hội nghị quốc tế.

7

CHƯƠNG 1

HIỆU ỨNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG TỪ

CỦA CHẤT LỎNG HẠT NANO TỪ

Do phong phú về tính chất vật lý nên các vật liệu nano đã thu hút sự quan

tâm nghiên cứu trên thế giới trong nhiều năm trở lại đây. Các nghiên cứu về vật liệu

nano tập trung đồng thời vào cả hai khía cạnh: cơ bản và ứng dụng. Các vật liệu

nano từ không chỉ thể hiện nhiều tính chất vật lý thú vị mà còn hứa hẹn nhiều tiềm

năng ứng dụng, nhất là trong y sinh. Trong vô số các ứng dụng của vật liệu nano,

hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH) của hạt nano từ được đặc biệt quan tâm vì khả

năng ứng dụng to lớn của chúng trong một số lĩnh vực như giải hấp tái tạo vật liệu

hấp thụ trong xử lý môi trường [32, 33]; hay gia công tế bào [34], rã đông các nội

quan đông lạnh [8], đánh giá nồng độ hạt nano tích tụ tại các nội quan [35], và nhất

là nhả thuốc bằng kích nhiệt từ [5] và nhiệt từ trị ung thư [1-8] trong lĩnh vực y

sinh. Khác với các hiệu ứng vật lý khác của vật liệu nano, hiệu ứng MIH có cơ chế

vật lý khá phức tạp, phụ thuộc rất mạnh vào kích thước hạt, cấu trúc vật liệu và tính

chất từ của hệ hạt nano, độ nhớt của chất lỏng cũng như các thông số của từ trường

ngoài tác động. Trong chương này của luận án, chúng tôi trình bày một số tính chất

vật lý của hạt nano từ liên quan đến hiệu ứng MIH và tổng quan về hiệu ứng MIH

của chất lỏng hạt nano từ.

1.1. Tổng quan về hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ

1.1.1. Hạt nano từ và hạt siêu thuận từ: những đặc tính cơ bản

1.1.1.1. Đô men của các hạt nano từ

Trong vật liệu sắt từ, sự phụ

thuộc từ trường ngoài của từ độ hay

còn gọi là đường cong từ hóa M(H) là

một trong những đại lượng quan trọng

để xem xét các hiện tượng vi mô trong

vật liệu từ. Đường cong từ hóa lần đầu

tiên được giải thích bởi Weiss bằng giả

thuyết đô men từ [36]. Mô men từ Hình 1.1. Cấu trúc đô men

trong hạt từ [36].

8

không hoàn toàn trật tự thống nhất trong toàn thể tích của mẫu mà chỉ tồn tại trật tự

trong từng vùng có kích thước xác định. Các vùng này được gọi là đô men từ [36].

Các đô men được hình thành để làm cực tiểu hóa năng lượng từ của các vật liệu từ

có hình dạng xác định. Do đó, các vùng từ hóa đồng nhất được chia tách bởi các

vách nhằm cực tiểu năng lượng từ tổng cộng trong vật liệu sắt từ dạng khối. Hình

dạng và cấu trúc đô men vì vậy mà chịu sự ảnh hưởng của sự cân bằng của các dạng

năng lượng: tĩnh từ, trao đổi, năng lượng dị hướng từ và năng lượng của vách đô

men. Cùng với sự giảm kích thước của khối vật liệu, kích thước của đô men sẽ giảm

và cấu trúc đô men cũng như độ rộng của vách đô men sẽ thay đổi. Và, khi kích

thước nhỏ hơn một kích thước tới hạn nào đó, sự tồn tại vách đô men trở nên không

thuận lợi về năng lượng, các hạt lúc này trở thành đơn đô men (hình 1.1).

Giới hạn đơn đô men phụ thuộc vào từng loại vật liệu từ khác nhau. Cho đến

nay giới hạn này đã được xác định cho các hạt hình cầu với kích thước tới hạn rc

trong hai trường hợp: hạt có dị hướng từ tinh thể lớn và hạt có dị hướng từ tinh thể

nhỏ.

Trong trường hợp vật liệu có hệ số tương tác trao đổi Aex, từ độ bão hòa MS

và hằng số dị hướng từ tinh thể K lớn thì bán kính tới hạn của hạt đơn đô men được

xác định bởi phương trình [37, 38]:

( )1 2

29 exC

o S

A Kr

Mµ=

(1.1)

Và, trong trường hợp dị hướng từ tinh thể K nhỏ:

2

9 2ln 1ex CC

o S

A rrM aµ

= − (1.2)

Phương trình (1.2.) chứa Cr ở cả hai vế nên để tìm giá trị Cr thì phải dùng

phương pháp đồ thị để giải phương trình (1.2). Kết quả cho thấy bán kính tới hạn

của các hạt sắt (Fe) đơn đô men có dị hướng từ nhỏ (25 nm) lớn hơn rất nhiều so

với trường hợp có dị hướng từ lớn (7 nm) [39].

9

1.1.1.2. Trạng thái siêu thuận từ

Trong biểu diễn gần đúng bậc nhất,

năng lượng dị hướng trong một hạt đơn đô

men tỉ lệ với thể tích V của nó. Đối với vật

liệu có dị hướng đơn trục, hàng rào năng

lượng dị hướng từ là Ea. Khi giảm kích thước

hạt, năng lượng dị hướng giảm, và tới một

kích thước hạt nhỏ hơn kích thước đặc trưng

thì rào năng lượng dị hướng từ có thể tương

đương hoặc nhỏ hơn năng lượng nhiệt kBT.

Hay nói cách khác, dưới kích thước hạt đặc

trưng, kích thích nhiệt gây ra sự thăng giáng

nhanh của mô men từ và quá trình đảo chiều

từ độ có thể xảy ra, tương tự như của một spin riêng lẻ trong vật liệu thuận từ. Toàn

bộ hệ spin có thể bị quay đồng bộ và trạng thái từ của tập hợp các hạt từ kích thước

rất nhỏ, không tương tác sẽ được gọi là siêu thuận từ.

Từ độ dao động giữa hai cực tiểu năng lượng (hình 1.2.) với tần số f hoặc

thời gian hồi phục τ được xác định bởi phương trình Néel – Brown [40, 41]:

0 exp

B

KVk T

τ τ

=

(1.3)

trong đó kB là hằng số Boltzman và τ0 ∼ 10-10 s.

Khi hệ mẫu được làm “lạnh” đến nhiệt độ thấp hơn một giá trị hữu hạn, hệ

trở nên “tĩnh” khi giá trị τ lớn hơn thời gian thực nghiệm của phép đo τm. Dưới

nhiệt độ này, các hạt thể hiện tính sắt từ và được xem như bị khóa. Nhiệt độ bắt đầu

chuyển từ trạng thái spin bị khóa ngẫu nhiên sang trạng thái siêu thuận từ được gọi

là nhiệt độ khóa TB (Blocking temperature). Từ phương trình (1.3), ứng với τm≈τ

dẫn đến biểu thức xác định nhiệt độ TB [39]:

( )0ln /B m BT KV kτ τ= (1.4)

Hình 1.2. Hình mô tả năng lượng của một hạt đơn đô men có dị hướng đơn trục. Mô men từ tạo một góc θ so với trục dễ. Ea là hàng rào năng lượng dị hướng từ.

10

Lưu ý rằng, nhiệt

độ khóa phụ thuộc vào

thời gian đặc trưng cho

từng phép đo τm và do đó

phụ thuộc vào loại phép

đo (hình 1.3). Nếu dùng

từ kế giao thoa lượng tử

siêu dẫn một chiều

(SQUID) hoặc từ kế mẫu

rung (VSM) thì thời gian

đặc trưng cho phép đoτm ≈

102 s. Trong phép đo độ cảm từ xoay chiều,τm bằng nghịch đảo của tần số đo (tần số

thường dùng trong khoảng 1-1000 Hz hoặc thời gian tương ứng từ 10-3-1 s). Trong

kỹ thuật phổ kế Mossbauer τm ≈ 10-9 s và trong phép đo tán xạ neutron τm ≈ 10-12-10-

7 s. Nhiệt độ khóa không phải là nhiệt độ tới hạn thực sự như nhiệt độ Curie TC,

nhưng là thông số thuận tiện để đánh giá dị hướng từ hiệu dụng Keff.

Theo biểu thức (1.4), TB phụ thuộc vào dị hướng từ, kích thước hạt và thời

gian đặc trưng của phép đo. Với một vật liệu cho trước, TB phụ thuộc vào kích

thước hạt và τm. Hay nói cách khác, giá trị TB phụ thuộc vào kích thước hạt và từ

trường ngoài (τm bằng nghịch đảo của tần số đo).

Biểu thức cho đường kính hạt (các hạt trở thành siêu thuận từ ở nhiệt độ TB

với thời gian đặc trưng cho phép đo τm) sẽ là [39]:

( )

31

0ln6

=

ττπ m

BSPM K

kTD (1.5)

Các hạt nhỏ hơn kích thước xác định bằng công thức (1.5) sẽ trở thành siêu

thuận từ ở vùng trên nhiệt độ TB. Như vậy, kích thước đơn đô men cực đại được xác

định bởi sự cân bằng của các dạng năng lượng, trong khi ngưỡng siêu thuận từ thì

không chỉ phụ thuộc vào tham số dị hướng mà còn cả vào khoảng thời gian đo.

Hình 1.3. Nhiệt độ khóa phụ thuộc thời gian thực nghiệm cho hai trường hợp τSQUID ≈ 102 s, τFMR ≈ 10-10 s. Tỷ phần của các hạt suy ra từ phân bố kích thước qua phân tích ảnh TEM. Hình bên phải: một ảnh TEM điển hình của các hạt nano Co [42].

Tỷ p

hần

hạt

11

1.1.1.3. Sự phụ thuộc của dị hướng từ theo kích thước hạt

Dị hướng từ có thể gây nên bởi tính đối xứng tinh thể, hình dạng... của mẫu

hay trật tự các cặp spin có định hướng khác nhau. Trong các hệ dạng hạt hoặc màng

mỏng, dị hướng từ bề mặt có đóng góp quan trọng tới dị hướng từ tổng cộng của hệ.

Bởi vì, tỉ số các nguyên tử trên bề mặt là đáng kể so với các nguyên tử trong toàn bộ

thể tích. Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày về hai loại dị hướng từ chủ yếu của

hệ hạt nano đó là dị hướng từ tinh thể và dị hướng từ bề mặt.

a. Dị hướng từ tinh thể

Các mô men từ

trong tinh thể (không

bị biến dạng) thường

định hướng song song

với các trục tinh thể.

Mỗi tinh thể có một

hướng nào đó mà khi

từ hóa theo phương đó

dễ đạt giá trị từ độ bão

hòa nhất, gọi là trục

dễ từ hóa. Khi từ hóa

theo hướng khác (lệch

90o so với trục dễ) thì

quá trình từ hóa sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa, và trục đó gọi là trục khó từ hóa.

Đối với tinh thể bcc Fe, trục dễ là [100] và trục khó là [111]. Đối với tinh thể fcc

Ni, trục dễ là [111] và trục khó là [100] [43] (hình 1.4).

Năng lượng từ hóa một đơn vị thể tích vật liệu theo phương bất kỳ được biểu

diễn bằng biểu thức (1.6):

0

0

S

S

M

HM

E Hd M Hd M= − =∫ ∫ (1.6)

Hình 1.4. Đường từ hóa theo các trục dễ, trung bình và khó

của tinh thể: a) Fe, b) Ni và c) Co [43].

12

EH tỷ lệ với diện tích giới hạn

bởi đường cong từ hóa tới Ms và trục

tung (hình 1.5). Năng lượng từ hóa

theo trục dễ là nhỏ nhất và năng

lượng từ hóa theo trục khó là lớn nhất.

Diện tích giới hạn bởi đường cong từ

hóa khó và từ hóa dễ là đại lượng đặc

trưng cho năng lượng dị hướng từ tinh

thể của mẫu.

Nói cách khác, năng lượng dị

hướng từ là năng lượng cần thiết do từ

trường ngoài cung cấp để chuyển dời mô men từ hướng từ hóa dễ sang hướng từ

hóa khó [44]. Đó chính là năng lượng dự trữ trong tinh thể từ tính nếu vectơ từ độ

MS không định hướng theo hướng từ hóa dễ. Năng lượng này gắn với dị hướng tinh

thể và có tính đối xứng tinh thể gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể (Ea).

Với đơn tinh thể:

2 4 20 1 2

0sin sin ... sin

ni

a ii

E K K K Kθ θ θ=

= + + + = ∑ (1.7)

với θ là góc giữa từ độ và trục dễ từ hóa, Ki là các hằng số dị hướng từ tinh

thể đặc trưng cho vật liệu. Các thông số K phụ thuộc nhiệt độ nhưng nếu xét trong

một khoảng nhiệt độ hẹp dưới xa nhiệt độ Curie của vật liệu thì các thông số K

được coi là hằng số [43].

b. Dị hướng từ bề mặt

Đối với các hệ hạt từ mịn và các màng mỏng từ, dị hướng bề mặt sẽ có đóng

góp thêm vào dị hướng từ tinh thể. Dị hướng bề mặt được tạo ra do tính đối xứng tại

bề mặt bị phá vỡ và sự suy giảm của số tọa độ lân cận gần nhất. Các hiệu ứng bề

mặt trong các hạt từ nhỏ là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng này [45]. Vì thế, khi

giảm kích thước hạt năng lượng dị hướng bề mặt sẽ chiếm ưu thế so với năng lượng

dị hướng từ tinh thể và năng lượng tĩnh từ do tỉ số các nguyên tử trên bề mặt hạt so

với bên trong hạt tăng.

Hình 1.5. Sơ đồ mô tả năng lượng dị hướng

từ tinh thể [43].

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%99_t%E1%BB%AB_h%C3%B3a

13

Một số kết quả thực

nghiệm cho hệ các hạt từ

dạng ôxít và kim loại [46-50]

cũng cho thấy: dị hướng của

các hạt từ mịn tăng khi thể

tích hạt giảm do đóng góp

của dị hướng bề mặt. Trong

thực tế, tính đối xứng ở biên

hạt bị phá vỡ do sự bất trật tự

nguyên tử và các sai hỏng sinh ra các trường tinh thể địa phương sẽ gây nên dị

hướng bề mặt (bao gồm các trục và các mặt dị hướng). Trong các nghiên cứu mô

hình hóa, ảnh hưởng của các trường địa phương thường liên quan đến số hạng 2KSς

[51] ( ςS là thành phần của spin dọc theo véctơ pháp tuyến với bề mặt, K < 0 tương

ứng với trường hợp trục dễ và K > 0 tương ứng với trường hợp mặt phẳng dễ). Tùy

vào giá trị K, các cấu hình spin nhận được tương tự như trên hình 1.6. Nhìn chung,

dị hướng bề mặt làm cho lớp bề mặt khó từ hóa hơn so với lớp lõi của hạt.

Năng lượng dị hướng hiệu dụng cho mỗi đơn vị thể tích Keff có thể nhận

được khi tính đến đóng góp của dị hướng khối và bề mặt. Cho một hạt hình cầu

(đường kính D), công thức hiện tượng luận được dùng để tính toán Keff là [52]:

sveff K

DKK 6

+= (1.8)

trong đó Kv và Ks lần lượt là phần đóng góp của thể tích và bề mặt tới dị hướng tổng

cộng. Thừa số (6/D) nảy sinh từ tỉ số bề mặt/thể tích cho trường hợp hạt hình cầu.

Người ta cũng tiên đoán dị hướng bề mặt của một hạt cầu sẽ bằng không do

tính đối xứng của nó. Tuy vậy, trong thực tế suy đoán trên không đúng với một hạt

có kích thước nano mét (chỉ gồm vài lớp nguyên tử) và bằng thực nghiệm người ta

nhận thấy công thức (1.8) vẫn đúng [46]. Ví dụ với hạt Co (có cấu trúc fcc và

đường kính 1,8 nm) thì giá trị Kv = 2,7×106 erg cm-3 và giá trị Ks ≈ 1 erg cm-2. Kết

quả tính cho thành phần đóng góp của bề mặt vào dị hướng là 3,3×107 erg cm-3;

nghĩa là lớn hơn một bậc so với đóng góp của dị hướng khối có cùng cấu trúc (hình

Hình 1.6. Sự sắp xếp spin bề mặt của các hạt sắt từ trong hai trường hợp dị hướng bề mặt khác nhau

K < 0 và K > 0 [51].

K > 0 K < 0

14

1.7) [52]. Ví dụ này cho thấy vai trò đóng góp lớn của dị hướng bề mặt vào dị

hướng tổng cộng trong các hệ hạt mịn.

Tóm lại, từ tính trong vật liệu

nano bao gồm nhiều hiện tượng vật lý

thú vị, nó có thể liên quan trực tiếp

đến khả năng ứng dụng của hạt nano

từ trong nhiều lĩnh vực: công nghệ,

môi trường, y sinh [1-8]. Các giá trị

bán kính đô men tới hạn, đường kính

siêu thuận từ tới hạn hay trạng thái

trật tự từ, sự phụ thuộc dị hướng từ

vào kích thước được đặc biệt quan

tâm. Trong trạng thái siêu thuận từ,

các hạt nano có giá trị mômen từ lớn và dễ từ hóa theo từ trường ngoài trong khi giá

trị từ dư hoặc lực kháng từ gần như bằng không. Điều này cho thấy ưu điểm của các

hạt nano siêu thuận từ: bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài nên không

có sự kết đám của các hạt [6]. Bên cạnh đó, dị hướng từ là tham số vật lý quan trọng

đối với hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của hệ hạt nano từ như có lưu ý trong [53], và

là một nội dung nghiên cứu sâu, sẽ trình bày trong chương 2 và 3 luận án này của

chúng tôi.

1.1.2. Chất lỏng từ: chế tạo và ứng dụng

Các hạt nano từ “lơ lửng” trong chất lỏng mang tạo thành một dung dịch

được gọi là chất lỏng từ - một khái niệm được dùng phổ biến trong các ứng dụng

trong y sinh [10]. Để các hạt nano từ phân tán tốt và tránh kết đám (bởi tính chất

tĩnh điện bề mặt hạt), một chất phi từ thích hợp thường được sử dụng để bao phủ

bên ngoài chúng. Do đó, chất lỏng từ “phổ biến” bao gồm các hạt nano từ (hạt keo)

được bọc bảo vệ, và/hoặc chức năng hóa, phân tán trong một dung môi.

Khi tồn tại ở dạng chất lỏng, chất lỏng từ không những mang đầy đủ tính

chất của hệ hạt keo mà còn thể hiện tính chất của chất lỏng. Thí dụ: đối với chất

lỏng hạt nano siêu thuận từ, quá trình tổn hao hồi phục của hệ chất lỏng từ diễn ra

theo hai cơ chế: cơ chế Neél và cơ chế Brown. Vì vậy, các hiệu ứng vật lý của hệ

Hình 1.7. Dị hướng từ phụ thuộc vào

đường kính hạt [52]. K

(x10

6 erg

/cm

3 )

Đường kính (Å)

15

chất lỏng hạt nano từ chịu sự ảnh hưởng của các vật liệu được dùng làm hạt lõi, lớp

vỏ và dung môi; và phương pháp tổng hợp chất lỏng từ.

Hình 1.8. Mô hình mô tả quá trình chế tạo chất lỏng từ.

Quá trình chế tạo thành chất lỏng từ “phổ biến” trong ứng dụng y sinh gồm

ba bước. Các hạt nano từ được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau như đồng

kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt hay phân hủy nhiệt [11-18]. Các hạt nano từ thường có

dạng hình cầu với đường kính D. Sau đó, các hạt nano từ được bọc bảo vệ và/hoặc

chức năng hóa bề mặt với độ dày lớp bọc δ. Cuối cùng, các hạt nano từ được bọc sẽ

được phân tán trong dung môi tạo thành chất lỏng hạt nano từ có độ nhớt η. Hình

1.8 mô tả quá trình chế tạo chất lỏng từ theo ba bước. Ngoài ra, tùy vào phương

pháp tổng hợp hạt keo hay vật liệu dùng làm hạt keo và lớp vỏ bọc, bước 2 và bước

3 của quá trình chế tạo chất lỏng từ có thể được thực hiện đồng thời. Bảng 1.1 trình

bày một số vật liệu thường được dùng để làm lõi, vỏ hay dung môi của chất lỏng hạt

nano từ ứng dụng trong y sinh.

Bọc và chức năng hóa hạt từ

Tổng hợp hạt

Phân tán trong dung môi

16

Bảng 1.1. Một số vật liệu được dùng làm lõi, vỏ và dung môi của chất lỏng từ [1-8].

Lõi Vỏ Dung môi

Kim loại – Hợp kim

Fe, Co, Ni, Fe-Co, Fe-Pt,

Fe-Ni, Co-Pt, Co-Ni ...

Polyme

dextran, carbôxydextran, citrate,

polyethylene glycol, tinh bột ...

Nước, benzyl

ether, phenyl

ether,

octadecene

Oxit kim loại

Fe3O

4, γ-Fe

2O

3, MnFe

2O

4,

NiFe2O

4, CoFe

2O

4, NiO,

Co3O

4 …

Copolyme

Poly(lactic axit)-polyethyleneglycol,

poly(lactic-co-glycolic)-polyethylene

glycol…

Hợp chất pha tạp

LaxSr

1-xMnO

3, Li

0.5Fe

2.5O

4,

Ni0.65

Zn0.35

Cu0.1

Fe1.9

O4,

CoxNi

(1−x)Fe

2O

4, Zn

xMn

(1−x)Fe

2O

4

MnxZn

(1-x)Gd

xFe

(2−x)O

4 ...

Kim loại – Oxit kim loại

CoFe2O

4, MnFe

2O

4, Fe

3O

4,

SiO2, Au, Ag, …

1.1.3. Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ (MIH) và ứng dụng

Đốt nóng cảm ứng (Inductive Heating - IH) là hiệu ứng vật lý liên quan đến

hiện tượng cảm ứng điện từ: các vật liệu trở thành các nguồn sinh nhiệt khi chúng

được đặt trong một điện từ trường xoay chiều. Khác với đốt nóng ngoài qua các cơ

chế truyền nhiệt thông dụng, hiệu ứng đốt nóng cảm ứng có đặc điểm là nhiệt được

tạo ra từ chính bản thân của vật liệu; vật liệu không phải tiếp xúc nhiệt với nguồn.

Đây là ưu điểm giúp hiệu ứng IH được ứng dụng nhiều trong các ngành công

nghiệp (hình 1.9) và ứng dụng y tế [54, 55].

17

Hình 1.9. Một số ứng dụng của hiệu ứng IH trong công nghiệp: (a) nung chảy kim loại, (b) làm cứng đường ray, (c) làm mối liên kết và (d) niêm phong.

Công suất đốt nóng của

hiệu ứng IH là công suất tổng

hợp từ hai cơ chế sinh nhiệt

chính. Đó là quá trình sinh

nhiệt liên quan đến tổn hao do

hiệu ứng Joule (tổn hao bề

mặt) và tổn hao liên quan đến

tính chất từ bên trong của vật

liệu [9]. Đối với các vật liệu

phi từ như nhôm, đồng hay

thép cabon trên nhiệt độ Curie

(TC); hiệu ứng Joule là cơ chế

sinh nhiệt chính [9]. Đối với

các vật liệu rắn điện môi hay bán dẫn, đốt nóng điện môi diễn ra do các dòng điện

dịch và dòng điện dẫn chảy qua chất cách điện hoặc bán dẫn dưới tác dụng của điện

trường xoay chiều tần số cao; hiệu ứng Joule vẫn là cơ chế sinh nhiệt chính [56].

Đối với vật liệu điện môi lỏng đặt trong điện trường xoay chiều, hiệu ứng đốt nóng

liên quan đến tổn hao hồi phục điện môi, thường xảy ra ở vùng tần số dưới GHz và

GHz, mà ví dụ được ứng dụng rất phổ biến là lò vi sóng dân dụng với tần số sóng

viba 2,4 GHz [56, 57]. Đối với các kim loại sắt từ, cơ chế sinh nhiệt chủ yếu liên

quan đến tính chất từ của vật liệu. Khi kích thước của vật liệu cỡ nano mét, công

suất đốt nóng cảm ứng chủ yếu do các cơ chế tổn hao liên quan đến tính chất từ như

tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục… Hiệu ứng IH trở thành hiệu ứng đốt nóng cảm

ứng từ (Magnetic Inductive Heating – MIH) đối với các vật liệu nano từ.

Trong phần này của luận án, để bảo đảm đủ tính tổng quát chúng tôi giới

thiệu tổng quan các ứng dụng trên một số lĩnh vực đã được đề cập của hiệu ứng

MIH, cụ thể như: (i) giải hấp tái tạo vật liệu hấp phụ [32, 33], (ii) gia công tế bào để

điều chỉnh độ insulin [34], (iii) đánh giá nồng độ hạt nano từ tích tụ tại các nội quan

[35], rã đông trong y sinh [8], (v) nhả thuốc bằng kích nhiệt từ [5] và (vi) nhiệt từ trị

ung thư [1-8].

18

a) Giải hấp tái tạo vật liệu hấp phụ

Các chất hấp phụ như than hoạt

tính, silica gel, zeolite hiện nay đang

được sử dụng rộng rãi trong việc thu hồi

các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC –

Volatile Organic Compound). Sau quá

trình hấp phụ, chất hấp phụ cần được tái

hoạt hoá để được tiếp tục sử dụng và các

hợp chất hữu cơ cũng cần được thu hồi.

Các vật liệu hấp phụ thường được tái tạo

bằng phương pháp đốt nóng chúng ở

nhiệt độ 105 ÷ 150 oC bằng một luồng

khí hoặc hơi nước bão hoà. Nhóm

nghiên cứu N. Kikukawa và các cộng sự [32, 33] đã đề xuất phương pháp giải hấp

tái tạo vật liệu hấp phụ bằng hiệu ứng MIH của các hạt nano từ đặt dưới tác dụng

một từ trường xoay chiều hoặc một trường sóng viba. Ở Việt Nam, nhóm nghiên

cứu ở Viện Khoa học vật liệu [58] cũng đã tiến hành đề tài sử dụng hạt nano ferit

Mn pha Zn nghiên cứu giải hấp khí m-xylen từ vật liệu hấp phụ SBA. Ưu điểm của

phương pháp này không chỉ là hiệu quả giải hấp cao (giảm thời gian khoảng dăm

chục lần, không phá hủy vật liệu, v.v.) nhờ

đốt nóng cục bộ chất hấp phụ mà còn ở chỗ

quá trình đốt có thể tự khống chế được dựa

vào điều chỉnh nhiệt độ Curie của hệ hạt

nano từ thích hợp (hình 1.10).

b) Gia công tế bào để điều chỉnh độ insulin

S. A. Stanley và cộng sự [34] đã tìm

thấy một phương pháp mới để gia công tế

bào nhằm điều chỉnh độ insulin trong cơ thể

người. Các hạt nano oxit sắt được gắn

kháng thể di chuyển đến cổng màng tế bào

nhạy nhiệt TRPV1 (hình 1.11). Dưới tác

Hình 1.10. Quá trình đốt nhiệt tự khống chế nhiệt độ của các hạt ferrite spinel (từ trường 56 kHz, 100 Oe). Đường liền nét: mẫu có TC = 501 K, đường đứt nét: mẫu có TC = 523 K [32].

Hình 1.11. Mô hình mô tả quá trình gia công tế bào để điều chỉnh độ

insulin [34].

19

dụng của từ trường xoay chiều ở tần số thấp, hiệu ứng MIH của các hạt nano oxit

sắt làm tăng nhiệt độ tại cổng TRVP1. Cổng TRVP1 được kích thích sẽ mở cửa và

giải phóng các ion Ca2+ - giúp kích thích quá trình tổng hợp và giải phóng lượng

insulin trong cơ thể người. Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả đã mở ra một

hướng ứng dụng tiềm năng cần được nghiên cứu của hiệu ứng MIH: gia công tế

bào.

c) Đánh giá nồng độ các hạt nano từ tích tụ trong các nội quan

Trong các ứng dụng y sinh, hàm lượng các hạt nano từ được đưa vào cơ thể

động vật không những bắt buộc phải nhỏ hơn một giá trị nào đó nhằm đảm bảo an

toàn cho cơ thể mà còn phải đảm bảo được đưa đến đúng vị trí. Để đánh giá chính

xác vị trí các hạt nano từ hướng đến khi vào cơ thể, nhóm tác giả P. H. Nam và

cộng sự [35] đã tiến hành thí nghiệm in vitro và đề xuất giải pháp đánh giá nồng độ

các hạt nano từ tích tụ tại các nội quan thông qua tham số nhiệt độ gia tăng gây bởi

hiệu ứng MIH. Dưới tác dụng của từ trường xoay chiều, hiệu ứng MIH của các hạt

nano từ gây ra nhiệt lượng cục bộ tại các nội quan. Do đó, nồng độ các hạt nano từ

tích tụ trong các nội quan được xác định thông qua nhiệt lượng tỏa ra [35]. Đến nay,

phương pháp này là một trong những phương pháp hiệu quả để đánh giá nồng độ

các hạt nano từ trong cơ thể người.

d) Rã đông trong y sinh

Tùy vào mục đích nghiên cứu và ứng dụng, các tế bào hay các mô mỏng

được bảo quản bằng cách đóng băng làm lạnh sâu. Sau đó, khi sử dụng các tế bào

hay các mô mỏng này được gia nhiệt sinh học nhưng quá trình gia nhiệt phải đảm

bảo không gây ảnh hưởng đến chúng. Hiệu ứng MIH của chất lỏng hạt nano từ giúp

các hạt nano từ trở thành các nguồn nhiệt cục bộ kích thước nano mét. Hiệu ứng này

được nhóm tác giả Etheridge và cộng sự [8] ứng dụng như một phương pháp mới

giúp rã đông trong y sinh. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng MIH của các hạt

nano từ có tốc độ gia nhiệt nhanh hơn, đồng đều hơn và giảm thiểu các độ phân giải

cation và các tác dụng gây hại khác đối với các tế bào được bảo quản [8]. Đây cũng

chính là một hướng ứng dụng tiềm năng của hiệu ứng MIH trong y sinh.

e) Nhả thuốc bằng kích nhiệt từ

20

Hình 1.12. Sơ đồ hai cơ chế phân phối thuốc có kiểm soát bằng phương pháp nhiệt: a) DBB và b) DEP[5].

Các nghiên cứu hiệu ứng MIH cũng đang tập trung vào hướng ứng dụng nhả

thuốc bằng kích nhiệt từ, có thể được thực hiện bằng cách kết hợp các hạt nano từ

với các polymer nhạy nhiệt [59]. Nhả thuốc bằng kích nhiệt từ có thể được thực

hiện theo hai loại cơ chế riêng biệt [5] (hình 1.12).

Các phần tử thuốc

được liên kết với các hạt

nano từ thông qua một

mối liên kết (polymer

nhạy nhiệt) (hình 1.12 (a)).

Dưới tác dụng của từ

trường ngoài, phân tử

thuốc được giải phóng do

sự gia nhiệt của phần tử

liên kết gắn vào bề mặt

của hạt nano từ [60]. Đây

là cách nhả thuốc bằng kích nhiệt từ thông qua phá vỡ liên kết (hyperthermia-based

drug delivery through bond breaking – DBB). Cách tiếp cận này có thể giúp phân

phối một hoặc nhiều loại thuốc bằng cách thay đổi công suất của từ trường ngoài

[5]. Bên cạnh đó, cách nhả thuốc bằng kích nhiệt từ cũng có thể được thực hiện

bằng một ma trận polyme (nano/vi hạt/màng mỏng) đóng gói với các hạt nano từ

(hình 1.12 (b)). Các phần tử thuốc được phân phối từ sự hình thành các vết nứt nano

mét do hiệu ứng nhiệt của các hạt nano từ dưới tác động của từ trường ngoài. Đây

được gọi là nhả thuốc bằng kích nhiệt từ qua độ thẩm từ tăng cường (hyperthermia-

based controlled drug delivery through enhanced permeability – DEP). Quá trình

này được thực hiện là do việc tạo ra các lực hở cơ học hoặc các khe hở đáp ứng

nhiệt trong trường hợp các polyme nhạy nhiệt [61].

f) Nhiệt từ trị ung thư

Năm 1957, Gilchrist và các cộng sự [62] sử dụng các hạt nano từ maghemite

γ-Fe2O3 với kích thước 20 ÷ 100 nm làm tăng nhiệt độ lên khoảng 42 0C đến 46 0C

bằng dòng điện xoay chiều tần số 1.2 MHz nhằm mục đích ứng dụng điều trị ung

thư. Đây chính là lần thử nghiệm đầu tiên của hiệu ứng MIH trong y sinh. Từ khi

21

Hình 1.14. Một số ứng dụng y sinh đối với

hiệu ứng MIH của hạt nano từ [5].

nhóm tác giả Gilchrist công bố kết quả nghiên cứu đến nay, hiệu ứng MIH của hệ

hạt nano từ đã và đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trong ứng dụng nhiệt từ

trị ung thư. Nhiệt từ trị ung thư là phương pháp điều trị ung thư bằng việc đốt nóng

các tế bào dựa trên hiệu ứng MIH của các hạt nano từ. Các hạt nano từ được đưa tới

các khối u ung thư. Dưới tác động của từ trường xoay chiều, các hạt nano từ có thể

sinh nhiệt lên tới nhiệt độ đủ (42 0C ÷ 46 0C) để tiêu diệt tế bào ung thư (cơ chế chết

theo chương trình – negnosis) nhưng không ảnh hưởng đến tế bào lành (hình 1.13).

Nhiệt từ trị ung thư dùng hạt

nano từ được xem là có một số ưu

điểm như: 1) các tế bào ung thư hấp

thụ nhiệt trực tiếp từ các hạt nano từ

giúp tăng hiệu suất chữa trị [5]; 2) quá

trình điều trị ung thư được chọn lọc và

hiệu quả hơn đối với các hạt nano từ

được gắn các vỏ sinh học hướng đích

[5]; 3) tần số và cường độ từ trường

ngoài (ở mức thường dùng) không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [57]; 4)

các hạt nano từ có thể vượt qua hàng rào thế của máu – não (Blood – Brain barrier,

BBB) nên được dùng để chữa trị ung thư não [5]; 5) các hạt nano từ được điều

khiển dễ dàng và hiệu quả ở mức độ tế

bào bằng từ trường ngoài [59]; 6)

nhiệt từ trị có thể gây miễn dịch đề

kháng [63]; 7) kích thước hệ hạt nano

vào cỡ vài chục nano mét nên chúng

dễ dàng đi vào các khối u có lỗ rỗng

khoảng 380 ÷ 780 nm [64]; 8) kết quả

sử dụng hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ

tốt hơn và đồng nhất hơn [65]; 9) và

cuối cùng, với khả năng ổn định từ

của các hạt cấu trúc võ – lõi (lõi là các

hạt nano từ), hệ hạt được dùng điều

khiển dễ dàng thông qua một số đường phân phối thuốc [66, 67] và chính chúng

Hình 1.13. Mô hình nhiệt từ trị ung thư.

22

Hình 1.15. Điều kiện áp dụng của các mô hình lý thuyết tổn hao Rayleigh, SWMBTs và LRT [69].

cũng có thể được dùng để dẫn thuốc, phân phối thuốc có kiểm soát [68]; như vậy có

thể kết hợp cả nhiệt trị và hóa trị.

Tóm lại, hiệu ứng MIH trong vật liệu từ dạng hạt nano thể hiện khả năng ứng

dụng của hạt nano từ trong nhiều lĩnh vực: công nghệ, môi trường và đặc biệt là các

ứng dụng trong y sinh (hình 1.14) [1-8]. Do đó, trong phần tiếp theo của luận án,

chúng tôi trình bày các cơ chế vật lý của hiệu ứng MIH.

1.2. Các cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ

1.2.1. Các yếu tố đóng góp cho công suất đốt nóng cảm ứng từ

Hiệu ứng MIH của hạt nano từ bắt nguồn từ quá trình hấp thụ năng lượng từ

từ trường xoay chiều của hạt nano từ. Tổng năng lượng được hấp thụ của quá trình

này bao gồm tổn hao bề mặt (PF), tổn hao từ trễ (Phys), tổn hao hồi phục Néel (PN)

và tổn hao hồi phục Brown (PB). Tổn hao bề mặt là tổn hao do dòng điện bề mặt

gây ra bởi từ trường xoay

chiều. Hiệu ứng này có thể tạo

ra công suất toả nhiệt cao trên

các vật liệu dẫn điện tốt và có

kích thước lớn. Đối với các hạt

nano từ, tổn hao do dòng điện

bề mặt không gây được hiệu

ứng nhiệt đáng kể vì kích

thước các hạt rất nhỏ và độ dẫn

điện của chúng thấp. Vậy,

đóng góp chính vào hiệu ứng

MIH của các hạt nano từ chính

là tổn hao từ trễ, tổn hao hồi

phục Néel và Brown.

Tổn hao từ trễ là do quá trình từ hóa bất thuận nghịch theo hai chiều tăng và

giảm của từ trường. Đây là nguyên nhân sinh nhiệt chủ yếu đối với các hạt sắt từ

hoặc feri từ đa đô men. Đối với các hạt nano siêu thuận từ, tổn hao hồi phục Néel và

Brown đóng góp chính cho hiệu ứng MIH của vật liệu. Trong khi tổn hao hồi phục

Néel là do quá trình lật đảo các mô men từ thì quá trình tổn hao hồi phục Brown là

23

do quá trình quay cả khối hạt nano trong chất lỏng từ. Việc phân biệt đóng góp của

cơ chế hồi phục Brown hay hồi phục Néel trong nhiều trường hợp là rất khó, do vậy

trong trường hợp tổng quát nếu cả hai quá trình hồi phục đều xuất hiện thì được gọi

chung là tổn hao hồi phục. Vậy, vai trò đóng góp của từng quá trình tổn hao phụ

thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của hệ hạt nano từ. Do đó, các mô hình

lý thuyết về hiệu ứng này được xây dựng tùy thuộc vào các điều kiện áp dụng; bao

gồm [69]: mô hình Rayleigh, lý thuyết dựa trên mô hình Stoner – Wohlfarth (Stoner

– Wohlfarth Model Based Theories, SWMBTs) và lý thuyết đáp ứng tuyến tính

(Linear Response Theory – LRT).

Để phân biệt rõ điều kiện áp dụng của mỗi mô hình lý thuyết, tham số ξ

được giới nghiên cứu sử dụng (hình 1.15) [69]:

0 S

B

M VHk T

µξ = (1.9)

trong đó μ0 = 4π×10-7 Vs (Am)-1 là độ từ thẩm chân không; kB là hằng số

Boltzmann; T là nhiệt độ, MS là từ độ bão hòa, V là thể tích hạt nano từ, và H là

cường độ từ trường của từ trường ngoài.

Khi tham số ξ < 1, nghĩa là μ0MSVH nhỏ hơn kBT thì các hạt nano ở trạng thái

siêu thuận từ hoặc từ trường ngoài không đủ lớn (H<<HC) . Do đó, các mô men từ

đáp ứng gần như tuyến tính theo từ trường ngoài. Vì vậy, mô hình LRT được áp

dụng để phân tích hiệu ứng MIH ứng với điều kiện này (hình 1.15). Mô hình này

được xây dựng dựa vào hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục

Brown. Ngược lại khi tham số ξ > 1, tổn hao từ trễ chính là nguyên nhân sinh nhiệt

chủ yếu đối với các hạt sắt từ hoặc ferit từ đa đô men nên mô hình Rayleigh và

SWMBTs được sử dụng tùy vào cường độ từ trường của từ trường ngoài (hình

1.15). Phần tiếp theo của luận án sẽ trình bày rõ các cơ chế sinh nhiệt của hiệu ứng

MIH.

1.2.2. Tổn hao từ trễ

Theo mô hình lý thuyết tổn hao Rayleigh hoặc SWMBTs, công suất đốt nóng

cảm ứng từ của vật liệu liên quan đến “tính trễ” của đường cong từ hóa M(H) – một

trong những đại lượng quan trọng để xem xét các hiện tượng vi mô trong vật liệu từ.

24

Hình 1.16. Chu trình từ trễ

vuông lý tưởng.

Với các hạt sắt từ hoặc feri từ đa đô men, công suất toả nhiệt của vật liệu trong một

chu trình từ trễ tỷ lệ với diện tích của chu trình từ trễ theo công thức:

( )0

hys HC

P M H dHµρ

= ∫ (1.10)

trong đó ρc là khối lượng riêng của hệ vật liệu và MH là thành phần từ độ song song

với từ trường ngoài.

“Tính trễ” của đường từ hóa là do sự từ hóa bất thuận nghịch theo hai chiều

tăng và giảm của từ trường. Do đó, tổn hao từ trễ phụ thuộc mạnh vào cơ chế từ hoá

của vật liệu. Trong từ trường nhỏ, chuyển động của các vách đô men bị ngăn cản

bởi các tâm ghim và tổn hao sẽ tỉ lệ với cường độ từ trường theo hàm bậc ba [70]:

( )3hys RP C H= × (1.11)

trong đó CR là hằng số phụ thuộc tính chất của vật liệu [53]. Quá trình này còn được

gọi là tổn hao Reyleigh (hình 1.15).

Khi µ0H > 2µ0HC (HC là lực kháng từ), công

suất đốt nóng cảm ứng từ của các hạt sắt từ đơn đô

men tuân theo mô hình lý thuyết SWMBTs. Đây là

mô hình lý thuyết đơn giản được xây dựng bởi giả

thuyết: các hạt sắt từ đơn đô men với dị hướng đơn

trục không tương tác và định hướng một cách ngẫu

nhiên [71]. Trong trường hợp đường trễ vuông lý

tưởng, công suất lý thuyết cực đại (hình 1.16) [53]:

max 0( ) 4hys S KP M Hµ= (1.12)

Trong thực tế, các hạt từ định hướng ngẫu nhiên có từ độ dư tỉ đối Sr MM ~

0,5 và lực kháng từ HC ~0,5HK nên rất khó đạt được công suất lý thuyết này, thường

chỉ đạt được 25 % giá trị trên – đây chính là công suất cực đại trong thực nghiệm

[72]. Theo mô hình SWMBTs, công suất tổn hao từ trễ thu được có giá trị bằng hai

lần mật độ năng lượng dị hướng từ K. Ngoài ra, Carey và cộng sự [53] cũng tính

toán công suất theo SWMBTs và nhận thấy công suất này chỉ bằng 1,92 lần mật độ

năng lượng dị hướng từ.

25

Hình 1.18. Sự phụ thuộc của công suất tổn hao vào kích thước hạt Fe3O4 [70].

Các nghiên cứu của Hergt và các cộng sự [70, 72, 73] đối với tổn hao từ trễ của các

hạt có kích thước, hình dạng và vi cấu trúc khác nhau cho thấy có sự sai khác đáng

kể giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết. Các hạt Fe3O4 hình kim thu

được công suất toả nhiệt 3 W/g ở từ trường 300 kHz và 15 kOe nhưng có thể đạt

được 2,8 kW/g ở từ trường 400 kHz và 15 kOe [73]. Hình 1.17 biểu diễn các đường

tổn hao từ trễ phụ thuộc cường độ từ trường cho các mẫu được chế tạo bằng các

phương pháp khác nhau và có kích thước hạt khác nhau. Ta nhận thấy có sự sai

khác đáng kể giữa lý thuyết và thực nghiệm. Theo mô hình SW, giá trị từ trường

ngưỡng (µ0H > 2µ0HC với HC phụ thuộc vào tính chất từ của hệ hạt nano từ) để xảy

ra hiện tượng mất mát năng lượng do tổn hao từ trễ gây ra. Sự khác nhau giữa lý

thuyết và thực nghiệm là do các hạt nano trong thực nghiệm có sự phân bố kích

thước rộng sẽ tương tác với nhau và đối xứng tinh thể dạng lập phương chứ không

phải dạng elip như trong mô hình lý

thuyết. Ngoài ra, nhóm tác giả Hergt và

các cộng sự [70, 72, 73] cũng nhận định

tổn hao từ trễ phụ thuộc vào cường độ từ

trường theo hàm lũy thừa từ bậc 2 đến

bậc 3.

Trong công trình nghiên cứu của

Hergt và các cộng sự về sự phụ thuộc

vào kích thước hạt nano từ Fe3O4 của các

cơ chế tổn hao, đóng góp của tổn hao từ

Hình 1.17. Sự phụ thuộc của tổn hao từ trễ vào cường độ từ trường với (a) các mẫu Fe3O4 chế tạo bằng các phương pháp khác nhau (đường vuông góc: mô

hình Stoner-Wohlfarth), (b) các mẫu với kích thước khác nhau [73].

26

Hình 1.19. Quá trình tổn hao hồi phục Néel [3].

trễ biến mất và tổn hao Néel trở thành cơ chế toả nhiệt chính ở vùng kích thước tới

hạn cho trạng thái siêu thuận từ khi D nhỏ hơn 18 nm (hình 1.18) [70]. Kết quả lý

thuyết này cho thấy có sự giao nhau giữa mô hình lý thuyết SWMBTs và mô hình

LRT như hình 1.15. Đồng thời, kết quả cũng khẳng định đóng góp chính của cơ chế

tổn hao hồi phục vào công suất đốt nóng cảm ứng từ đối với các hạt đơn đô men ở

trạng thái siêu thuận từ. Do đó, cơ chế tổn hao hồi phục Néel và Brown dựa theo mô

hình LRT sẽ được chúng tôi tập trung trình bày và phân tích ở phần tiếp theo của

luận án.

1.2.3. Tổn hao hồi phục Néel

Đối với các hạt đơn đô

men ở trạng thái siêu thuận từ,

công suất toả nhiệt được đóng góp

bởi các quá trình tổn hao hồi phục

Néel và Brown. Trong quá trình

tổn hao hồi phục Néel, từ trường

xoay chiều cung cấp năng lượng và giúp các mô men từ vượt qua rào năng lượng dị

hướng từ. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt năng khi mô men từ

của các hạt hồi phục về hướng cân bằng. Hình 1.19 mô tả quá trình tổn hao hồi phục

Néel, đây chính là quá trình hồi phục mô men từ trong đó các hạt nano (hình tròn

với nền là các đường thẳng đứng) không quay theo từ trường xoay chiều.

Để phân tích chi tiết về tổn hao hồi phục Néel, ta có thể sử dụng một mô

hình đơn giản đối với một hạt từ có mô men từ μ [70]. Mômen từ này chỉ có thể

được định hướng theo hai hướng phản song song (hình 1.2), tương ứng với hai mức

năng lượng được tách nhau bởi rào năng lượng dị hướng từ. Giả sử rằng rào năng

lượng là tương đối lớn, KV >> kBT, thời gian hồi phục Néel (τN) của hệ phụ thuộc

vào nhiệt độ được thể hiện bằng phương trình [2, 3, 19]:

( )( )0

exp /2 /

BN

B

KV k TKV k T

πτ τ= (1.13)

trong đó, giá trị τo cho hệ siêu thuận từ trong khoảng 10-9-10-13 s, K là dị hướng từ,

V là thể tích hạt V= πD3/6, D là đường kính hạt hình cầu.

27

Hình 1.20. Quá trình tổn hao hồi phục Brown [3].

Giả sử trong một hệ hạt có n+ hạt được định hướng theo một hướng, và n- hạt

được định hướng theo hướng phản song còn lại. Từ độ tổng cộng của cả hệ là

M nµ= ∆ ( n n n+ −∆ = − ). Xác suất chuyển trạng thái của một hạt khi có mặt từ

trường xoay chiều ( )tiH ωexp được tính bởi:

( ) [ ]TkH BN µτδ ±=± exp21 (1.14)

Trong từ trường nhỏ μH << kBT, hàm mũ có thể được thay thế bằng xấp xỉ

bậc nhất và từ độ của hệ phụ thuộc vào thời gian theo phương trình:

( ) ( )( ) ( )tiHtiTkntM B ωωµ exp1 12 −+= (1.15)

−+ += nnn

Từ phương trình (1.14.) trên ta có thể xác định được công suất sinh nhiệt PN

từ phần ảo của độ cảm từ xoay chiều:

( ) ( )[ ]222 12 NBNNN TVkHP τωτωτµ += (1.16)

Hoặc có thể viết dưới dạng

( ) ( ) fHfHfPN2,,

0, πχµ= (1.17)

trong đó ( )f,,χ là phần ảo của độ cảm từ xoay chiều, 2

f ωπ

= là tần số của từ

trường.

1.2.4. Tổn hao hồi phục Brown

Bên cạnh tổn hao hồi phục Néel gây bởi quá trình lật đảo các mô men từ, một

kiểu tổn hao khác cũng được sinh ra do quá trình hồi phục các hạt trong dung dịch

chất lỏng từ. Hình 1.20 mô tả quá trình hồi phục Brown: mô men từ quay theo cả

khối hạt nano từ trong chất lỏng.

Năng lượng nhiệt sinh bởi hiệu

ứng này là đáng kể khi hướng

của mô men từ được gắn chặt

với hạt (hạt có dị hướng từ lớn)

đồng thời môi trường có độ nhớt

thấp, tạo điều kiện các hạt tái định hướng một cách dễ dàng. Với các hạt cầu có

28

Hình 1.21. Mô hình hóa đường cong từ hóa [49].

đường kính động học DH (được xác định bởi công thức 2HD D δ= + , δ là bề dày

lớp hoạt hóa bề mặt của hạt nano từ), thời gian hồi phục Brown được cho bởi [2, 3,

19]:

3 HB

B

Vk Tητ = (1.18)

trong đó, 3

6H

H

DV π= là thể tích động học của hạt nano từ và η là độ nhớt của chất

lỏng từ.

Công suất tổn hao của quá trình hồi phục Brown cũng có thể tính theo

phương trình (1.16) với thời gian hồi phục Brown lấy từ (1.18).

1.2.5. Lý thuyết đáp ứng tuyến tính LRT

Mô hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính

là mô hình mô tả khả năng đáp ứng tuyến

tính của các mô men từ theo từ trường

ngoài. Dựa vào kết quả mô phỏng quá trình

từ hóa theo từ trường, J. Carey và các cộng

sự [49] nhận thấy từ độ tuyến tính với từ

trường ứng với các giá trị tham số ξ < 1

(biểu thức 1.1, hình 1.15 và hình 1.21). Như

vậy, mô hình này chỉ phù hợp cho hệ hạt

nano siêu thuận từ như một số tác giả đã đề

cập [6, 19-21]. Do đó, mô hình LRT được xây dựng dựa vào các cơ chế tổn hao hồi

phục Néel và Brown của các hạt nano siêu thuận từ hoặc ở vùng từ trường xoay

chiều cường độ thấp thỏa mãn điều kiện CH H<< .

Tuy nhiên, như đã nói việc phân biệt đóng góp của cơ chế hồi phục Brown

hay hồi phục Néel trong nhiều trường hợp là rất khó, do vậy trong trường hợp tổng

quát nếu cả hai quá trình hồi phục đều xuất hiện thì thuận tiện hơn là dung thời gian

hồi phục hiệu dụng τ, được xác định từ công thức [2, 3, 19]:

1 1 1 .N B

N B N B

τ τττ τ τ τ τ= + ⇔ =

+ (1.19)

29

Theo mô hình LRT, công suất đốt nóng cảm ứng từ của quá trình tổn hao hồi

phục hiệu dụng được xác định bởi biểu thức [2, 3, 19]:

( ) ( )2 2 22 1LRT BP H k TVµ ωτ τ ω τ = + (1.20)

Hoặc có thể viết dưới dạng:

( ),, 20LRTP f H fµ πχ= (1.21)

trong đó ( ),, fχ là phần ảo của độ cảm từ xoay chiều.

( )

( )/ /

0 2

21 2

fff

π τχ χπ τ

=+

(1.22)

00

0

coths D B

B D

M HM V k TH k T H M V

µχµ φ

= −

(1.23)

trong đó MD là từ độ toàn đô men (emu/cm3) của hệ hạt nano từ.

Đến nay, trong các nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng MIH trong y sinh, giới

nghiên cứu đều khẳng định: cần có một giới hạn an toàn dành cho cường độ từ

trường và tần số của từ trường xoay chiều đối với cơ thể người. Brezovich và các

cộng sự [74] đã tiến hành thử nghiệm với một số bệnh nhân tình nguyện về khả

năng ảnh hưởng của từ trường xoay chiều trên cơ thể người và đưa ra một tích số

giới hạn an toàn của từ trường: ( )( )8. 4,85 10 A / m.sH f = × . Thí dụ, đối với tần số từ

trường 100 kHz (tần số phù hợp với các ứng dụng trong y sinh học) thì cường độ từ

trường tối đa cho phép nằm trong khoảng từ ( ) ( )34,85 10 A / 60m Oe× ≈ đến

( ) ( )350 10 A / 625m Oe× ≈ . Điều này cho thấy, mô hình LRT vẫn có thể được sử dụng

đối một số chất lỏng hạt nano từ có giá trị lực kháng từ cao vì giá trị H (bị giới hạn

bởi giới hạn Brezovich) rất nhỏ so với HC. Bên cạnh đó, các hạt nano siêu thuận từ

có ưu điểm: bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài nên không có sự kết

đám của các hạt này trong cơ thể; và các hạt này dễ bọc để tạo lớp vỏ tương thích

sinh học [6]. Do đó, mô hình LRT được áp dụng để giải thích hiệu ứng MIH đối với

phần lớn các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm [19-31].

30

Hình 1.22. Sự phụ thuộc SAR vào ωτ [3].

1.3. Các khó khăn, thách thức trong nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa hiệu

ứng đốt nóng cảm ứng từ của hệ chất lỏng hạt nano từ

Trong thực tiễn ứng dụng y sinh, các hạt nano từ (hạt lõi) có đường kính

trong khoảng 10 ÷ 50 nm, từ độ bão hòa đủ lớn và thỏa mãn điều kiện: ổn định

trong chất lỏng từ; lượng hạt nano từ đưa vào cơ thể người phải tối thiểu nhưng

nhiệt sinh ra từ hiệu ứng MIH phải đủ lớn [6]. Do đó, các nghiên cứu về hiệu ứng

MIH của hệ chất lỏng hạt nano từ đều tập trung vào giải quyết vấn đề tối ưu hóa

hiệu ứng này trong các ứng dụng y sinh.

Hiện nay, hai đại lượng công suất tổn hao riêng (Specific Loss Power – SLP)

và/hoặc tốc độ hấp thụ riêng (Specific Absorption Rate – SAR) được giới khoa học

đưa ra nhằm phản ánh khả năng hấp thụ năng lượng của hệ hạt nano từ trong từ

trường xoay chiều. Các giá trị này được định nghĩa là công suất tỏa nhiệt P tạo bởi

một đơn vị khối lượng hạt nano từ, biễu diễn bởi công thức:

/ PSLP SAR

ρ=

(1.24)

trong đó ρ là khối lượng riêng của hạt nano từ, P là công suất đốt nóng cảm ứng từ

được trình bày ở phần trước của luận án.

Bên cạnh đó, các nghiên

cứu về mô hình LRT đều cho

thấy hiệu ứng MIH đạt công

suất đốt nóng cảm ứng từ tối đa

khi hệ chất lỏng hạt nano từ

thỏa mãn điều kiện ωτ = 1 [3]

(hình 1.22). Đây chính là điều

kiện “cộng hưởng” của các hạt

nano từ. Khi các hạt nano từ được kích thích bởi từ trường xoay chiều, hiệu suất của

hiệu ứng MIH đạt cực đại khi tần số từ trường ngoài bằng “tần số” của các hạt nano

từ. Về mặt kích thước hạt, kết quả lý thuyết cho thấy có sự tồn tại kích thước tới hạn

Dcp (hay kích thước tối ưu, định nghĩa là kích thước hạt nano từ khi hệ đạt giá trị

SARmax/SLPmax). Tuy nhiên, thực nghiêm nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa hiệu ứng

theo tham số này đến nay vẫn còn nhiều khó khăn và thách thức. Trong phần tiếp

31

theo của luận án, chúng tôi sẽ trình bày các khó khăn và thách thức trong nghiên

cứu thực nghiệm về vấn đề tối ưu hóa hiệu ứng MIH trong các ứng dụng y sinh.

1.3.1. Kích thước hạt và vấn đề khống chế kích thước hạt, độ hẹp phân bố kích

thước

Như đã đề cập ở phần trên của luận án, các vật liệu dùng làm lõi, vỏ hay

dung môi của chất lỏng hạt nano từ rất đa dạng. Trong khi đại đa số nghiên cứu về

hiệu ứng MIH, lớp vỏ được dùng bằng chất hữu cơ nên mặc dù chúng có thể thay

đổi trong khoảng rộng nhưng lại ảnh hưởng không nhiều vì chúng là chất phi từ. Vì

vậy, giới khoa học thường giả thiết độ dày lớp vỏ không đổi trong các tính toán lý

thuyết lẫn thực nghiệm khi nghiên cứu hiệu ứng này. Giá trị SLP/SAR, đặc biệt là

giá trị cực đại tương ứng của các đại lượng này chịu ảnh hưởng rất nhiều từ kích

thước trung bình và độ rộng của phân bố kích thước của bản thân hạt từ vô cơ trong

lõi [19]. Do đó, vấn đề về kích thước và độ hẹp của phân bố kích thước không

những được quan tâm trong việc tổng hợp chế tạo hệ vật liệu mà còn được quan tâm

trong việc khảo sát ảnh hưởng của chúng đến hiệu ứng MIH.

Đến nay, hạt nano từ được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như

đồng kết tủa [11,12], sol-gel [13,14], thủy nhiệt [15,16], micel [75], nghiền cơ năng

lượng cao [24, 76] và phương pháp phân hủy nhiệt [17,18] v.v. Mỗi phương pháp

tổng hợp đều có ưu nhược điểm khác nhau và tạo ra những sản phẩm có vùng kích

thước khác nhau và chất lượng khác nhau về phân bố kích thước hạt và độ hoàn hảo

của tinh thể.

Bảng 1.2 trình bày một số kết quả tổng hợp hệ chất lỏng hạt nano từ ứng

dụng trong y sinh bằng các phương pháp khác nhau. Từ bảng 1.2, chúng ta thấy

phương pháp tổng hợp đồng kết tủa và sol – gel cho vùng kích thước hạt từ 10 ÷

100 nm. Tuy nhiên, các hạt nano từ được tạo ra từ phương pháp đồng kết tủa

thường không đồng đều về kích thước (với sai số kích thước > 30 %), về hình dạng

cũng như mức độ tinh thể hóa của chúng không cao do bản chất ngẫu nhiên trong

khi quá trình tổng hợp. Đối với phương pháp sol – gel, nhược điểm lớn nhất của

phương pháp này là tạo ra sản phẩm chủ yếu ở dạng vô định hình, và các hạt nano

tạo thành thường bị kết đám và rất khó điều khiển hình dạng và độ đồng đều. Tóm

32

lại, các hệ chất lỏng hạt nano từ tổng hợp từ hai phương pháp này thường có độ

phân bố kích thước rộng [84].

Bảng 1.2. Kích thước của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

Phương pháp tổng hợp Hệ chất lỏng hạt nano từ Kích thước (nm)

Đồng kết tủa

CoFe2O4

10 ÷ 16 [11]

15 [12]

∼ 9,9 [77]

Fe3O4 14 [78]

10 [79]

Sol – gel

CoFe2O4 20 ÷ 100 [13]

Mn0.8Ca0.2Fe2O4 11 [80]

Mg0.4Ca0.6Fe2O4 10 [80]

La1-xSrxMnO3 (0<x<0.4) 82,4 [81]

Thủy nhiệt CoFe2O4 2 ÷ 8 [15]

Phân hủy nhiệt

MFe2O4 (M=Mn, Co, Ni) 5 ÷ 10 [18]

CoxFe3-xO4 (0<x<1) 8 ÷ 8,5 [82]

CoFe2O4 5,4 ÷ 9,9 [83]

Bên cạnh hai phương pháp tổng hợp trên, phương pháp hiệu quả để tổng hợp

các hạt nano từ hiện nay đang được sử dụng phổ biến trên thế giới là phương pháp

thủy nhiệt và phân hủy nhiệt. Ưu điểm chính của hai phương pháp này cho phép tạo

ra các hạt nano từ với độ tinh thể hóa cao, kích thước nằm trong vùng 2 ÷ 20 nm và

phân bố kích thước hẹp. Tuy nhiên, hai phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật cao và rất

33

Hình 1.23. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau. Hình nhỏ là sự phụ thuộc

của kích thước hạt vào lực kháng từ [86].

khó thực hiện nên không được sử dụng rộng rãi trong việc tổng hợp các hệ chất

lỏng hạt nano từ.

Nói chung, khống chế kích thước, phân bố kích thước và độ tinh thể hóa của

hệ hạt nano từ chịu ảnh hưởng rất nhiều vào phương pháp tổng hợp cũng như các

điều kiện tổng hợp của phương pháp đó. Do đó, việc nghiên cứu thực nghiệm một

cách hệ thống ảnh hưởng của một tham số đến hiệu ứng MIH là rất khó thực hiện.

Thí dụ, việc tổng hợp các hệ chất lỏng từ có cùng kích thước trung bình nhưng có

độ phân bố kích thước khác nhau hay khác kích thước nhưng có cùng độ phân bố

kích thước là không khả thi trong thực nghiệm. Đây là một khó khăn trong nghiên

cứu thực nghiệm: khảo sát độc lập ảnh hưởng của tham số kích thước hạt hoặc tham

số độ phân bố kích thước hạt đến giá trị SLP/SAR của hệ chất lỏng từ nhằm đánh giá

ảnh hưởng của chúng đến việc tối ưu hóa hiệu ứng MIH.

1.3.2. Từ độ hạt nano và vấn đề suy giảm từ độ do lớp chết từ bề mặt

Từ độ của một vật liệu

từ chính là tổng số các mô men

từ trên một đơn vị thể tích của

vật liệu đó. Khi kích thước của

vật liệu từ giảm đến cỡ nano

mét, sự cạnh tranh giữa hai hiệu

ứng bề mặt và hiệu ứng kích

thước hữu hạn chính là nguyên

nhân dẫn đến sự khác nhau

giữa từ độ hạt nano đối với từ

độ của vật liệu khối tương ứng.

Các đóng góp tương ứng của hai hiệu ứng có chiều ngược nhau [85]. Dựa vào các

các nghiên cứu mô phỏng loại trừ đóng góp của bề mặt, Iglesias và các cộng sự [85]

đã chỉ ra rằng từ độ lớn hơn so với trạng thái khối khi chỉ có hiệu ứng kích thước và

ngược lại; hiệu ứng bề mặt đưa đến sự giảm của từ độ. Hiệu ứng bề mặt lớn hơn

hiệu ứng kích thước hữu hạn và quyết định quá trình khử từ của hệ. Kết quả này

hoàn toàn khớp với các kết quả thực nghiệm về sự suy giảm từ độ hạt nano theo

kích thước. Nghiên cứu của nhóm tác giả Goya và CS [86] trên các hạt nano Fe3O4

34

có kích thước từ 5 nm đến 150 nm cũng cho thấy sự suy giảm đáng kể của từ độ bão

hòa khi kích thước hạt giảm. Mẫu hạt kích thước 150 nm có từ độ bão hòa 75 emu/g

so với 80 % giá trị từ độ của mẫu khối, trong khi đó mẫu kích thước 5 nm giá trị từ

độ bão hòa giảm còn khoảng 30 % so với mẫu khối (hình 1.23).

Vậy, hiệu ứng bề mặt của các hạt nano từ làm giảm giá trị từ độ bằng cách

nào? Để đơn giản, ta xem các hạt nano từ như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc

spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh

thể lý tưởng. Trong khi đó, phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về

cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion. Đối với vật liệu khối, có thể coi từ độ

phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Đối với vật liệu ở cỡ nano mét, tỷ lệ giữa diện

tích bề mặt và thể tích là đáng kể dẫn đến phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào

toàn bộ thể tích của hạt [87]. Nói cách khác, sự suy giảm của từ độ bão hòa chính là

do sự tồn tại của lớp vỏ không từ (lớp chết từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặt hạt

[88]. Do vậy, từ độ hạt nano từ thường nhỏ hơn từ độ của mẫu khối tương ứng và

giá trị từ độ hạt nano từ suy giảm theo kích thước của hạt nano từ.

1.3.3. Độ dị hướng từ trong các hạt nano từ chế tạo

Dị hướng từ là thuật ngữ thường được dùng để mô tả sự định hướng ưu tiên

của từ độ tự phát theo một hướng của tinh thể và hệ quả của dị hướng từ sẽ tạo ra

các trục từ hóa dễ và trục từ hóa khó. Trong vật liệu khối, dạng năng lượng dị

hướng từ chính là năng lượng dị hướng từ tinh thể và năng lượng tĩnh từ. Dị hướng

từ tinh thể được xác định không chỉ bởi liên kết spin – quỹ đạo mà còn bởi liên kết

của các quỹ đạo điện tử đang xét với tính đối xứng của sự sắp xếp các nguyên tử

trong mạng tinh thể (trường tinh thể). Do đó, tùy vào thành phần và trường tinh thể

của từng vật liệu, dị hướng từ của vật liệu khối có giá trị thay đổi từ vài kJ/m3 đến

vài trăm kJ/m3. Bảng 1.3 thể hiện giá trị dị hướng từ của một số vật liệu khối.

Như đã đề cập ở phần trước, khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét

thì số nguyên tử trên bề mặt là lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu

ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và là nguyên nhân chính đóng góp vào giá trị dị

hướng từ hệ hạt nano. Khi đó, dị hướng từ hiệu dụng của hệ hạt nano từ phụ thuộc

rất nhiều vào kích thước của hệ hạt.

35

Bảng 1.3. Dị hướng từ của một số vật liệu khối.

Vật liệu từ K (kJ/m3)

FeCo 1.5 [20]

La0.7Sr0.3MnO3 2 [89]

MnFe2O4 3 [89]

MgFe2O4 3 [89]

γ - Fe2O3 4.7 [20]

NiFe2O4 7 [89]

Fe3O4 9 [20]

CoFe2O4 290 [89]

FePt 206 [20]

BaFe6O19 300 [19]

Ngoài tham số kích thước hạt ra, các hệ hạt nano từ sẽ có hình dạng cũng

như mức độ tinh thể hóa phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp tổng hợp hay các

điều kiện tổng hợp của cùng một phương pháp. Điều này dẫn đến sự sai khác rất

nhiều về độ lớn dị hướng từ trong một hệ hạt nano từ cùng thành phần cơ bản

nhưng điều kiện chế tạo khác nhau. Bảng 1.4 thể hiện giá trị dị hướng từ hiệu dụng

của hệ hạt nano từ Fe3O4 được tổng hợp bởi các phương pháp khác nhau.

Các giá trị dị hướng từ hiệu dụng công bố trong các tài liệu được suy ra từ

các giá trị MS, HC hay TB dựa trên các biểu thức [86, 90]:

BBeff TkVK 25= (1.25 (a))

SeffC MKH /2= (1.25 (b))

36

Bảng 1.4. Dị hướng từ của Fe3O4.

Hệ hạt nano từ

Phương pháp tổng hợp

D (nm)

MS

(emu/g) HC

(Oe) TB (K)

Keff (kJ/m3)

FeO/Fe3O4 Phân hủy nhiệt ∼ 20 [91]

5 [91] (hình cầu)

71 [91] (hình cầu)

- ∼ 20

60 [91] (lập phương)

48 [91] (lập

phương) - ∼ 180

Fe3O4

Phân hủy nhiệt

4 -15 [90]

- - - 100 - 50

6 [92]

54 [92] 20 [92] - ∼ 68

Thủy nhiệt

5 [86]

- - 45

[86] ∼ 240

10 [86] - - 107

[86] ∼ 70

Đồng kết tủa 5 [93] - - ∼ 104 [93] ∼ 550

Như ta thấy, Bảng 1.4 thể hiện giá trị dị hướng từ hiệu dụng của hệ hạt nano

từ Fe3O4 nằm trong một giải rộng từ khoảng 5 ÷ 500 kJ/m3, lý do là phụ thuộc vào

kích thước, hình dạng và cả độ tinh thể của hệ hạt nano từ [91]. Các phương pháp

tổng hợp khác nhau như phương pháp đồng kết tủa [93], thủy nhiệt [86] hay phân

hủy nhiệt [90, 92] mặc dù cho cùng một kích thước hạt là 5 nm nhưng giá trị dị

hướng từ thì rất khác nhau. Thí dụ như, phương pháp đồng kết tủa tổng hợp thành

hệ hạt nano từ có K ∼ 550 kJ/m3 trong khi phương pháp phân hủy nhiệt tổng hợp

thành hệ hạt nano từ có K nằm trong khoảng 50 ÷ 70 kJ/m3. Mặt khác, các điều kiện

tổng hợp khác nhau của cùng một phương pháp cũng dẫn đến sự sai khác giá trị dị

hướng từ cho hệ hạt nano từ [90, 92]. Vì vậy, việc khống chế giá trị dị hướng từ của

một hệ chất lỏng hạt nano từ nhằm mục đích khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của

chúng đến hiệu ứng MIH tỏ ra là khó khả thi, do vậy việc nghiên cứu vấn đề này

bằng tính toán lý thuyết một cách hệ thống có thể xem như là tiến hành ‘thực

nghiệm số’ – một lựa chọn cần thiết, có thể đưa ra nhiều định hướng tối ưu cho thực

nghiệm cụ thể.

37

1.3.4. Các yêu cầu về độ nhớt trong các ứng dụng khác nhau

Đến nay, hiệu ứng MIH được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như đã đề

cập trong mục 1.1.3. Phần đa các ứng dụng của hiệu ứng này đều trong môi trường

y sinh với độ nhớt thay đổi từ 1 mPa⋅s (môi trường như nước) đến 4 mPa⋅s (độ nhớt

của tế bào) [94]. Bên cạnh đó, ứng dụng giải hấp tái tạo vật liệu hấp phụ hay rã

đông trong y sinh có độ nhớt bằng vô cùng vì hiệu ứng được thực hiện trong môi

trường đông đặc. Trong khi đó, phần lớn các hệ chất lỏng hạt nano từ là các hạt siêu

thuận từ nên tổn hao hồi phục Néel và Brown đóng góp chính vào công suất đốt

nóng cảm ứng từ nên độ nhớt có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hiệu ứng

MIH. Ảnh hưởng của độ nhớt đến hiệu ứng MIH do vậyvẫn là vấn đề mở cần được

giải đáp một cách tổng thể và hệ thống.

1.4. Tổng quan về các nghiên cứu công suất đốt nóng cảm ứng từ

1.4.1. Các nghiên cứu thực nghiệm

Trong những năm gần đây, hiệu ứng MIH đã và đang được các nhà nghiên

cứu lý thuyết và thực nghiệm quan tâm đặc biệt nhờ tiềm năng lớn của chúng trong

các ứng dụng y sinh [1-8]. Đến nay, các hệ chất lỏng hạt nano từ được quan tâm về

hiệu ứng này rất phong phú, đa dạng và đã thu được nhiều kết quả thực nghiệm khả

quan. Trong thực nghiệm, đại lượng đặc trưng cho hiệu năng đốt nóng cảm ứng từ

là tốc độ hấp phụ riêng (SAR) liên quan đến tốc độ gia nhiệt ban đầu ∆T/∆t bởi biểu

thức [24, 30, 95, 96]:

s

i

m TSAR Cm t

∆=

∆ (1.26)

ở đây, C là nhiệt dung riêng của hệ chất lỏng từ, ms là khối lượng của chất lỏng từ;

mi là khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng từ, Tt

∆∆

được tính từ các đường

thực nghiệm gia tăng nhiệt độ theo thời gian đốt nóng cảm ứng từ của mẫu.

Bảng 1.5 thể hiện giá trị SAR của một số hệ chất lỏng hạt nano từ.

38

Hình 1.24. SLP phụ thuộc vào đường kính

hạt Fe3O4 [108].

Bảng 1.5. Giá trị SAR của một số hệ chất lỏng hạt nano từ từ các công bố thực nghiệm.

Chất lỏng từ D (nm) f (kHz) H (kA/m) SAR (W/g) TLTK

Fe3O4 30 ± 5 410 10 960 [97]

30 ± 8 249 10 95 [98]

γ - Fe2O3 15,3 ± 5 410 12,5 600 [99]

16,5 700 24,8 1650 [100]

MnFe2O4 10 ÷ 11 300 15 97 [101]

12 ÷ 15 265 27,2 85 ÷ 130 [102]

CoFe2O4 9,7 700 24,8 440 [23]

12,8 178 6,5 142 [103]

NiFe2O4 24,8 90 12,8 0,57 [101]

Mn1-xZnxFe2O4

(x = 0 – 0,3) 13 ÷ 45 178 6,5 58,7 ÷ 117,6 [104]

La1-xSrxMnO3

(x = 0,27; x = 0,33) ∼ 17 513,1 16,2 3,73 ÷ 15,68 [105]

Co 6 400 25 1300 [101]

Fe 16,3 ± 1,5 300 52,5 1690 [106]

FeCo 14,2 ± 1,5 100 23,2 150 [106]

Các nghiên cứu thực nghiệm đều tập trung tìm kiếm cách nâng cao hiệu suất

của hiệu ứng MIH cũng như tăng độ bền của chất lỏng từ. Vì vậy, các nghiên cứu

thực nghiệm hầu hết đều tập trung khảo sát điều kiện công nghệ chế tạo để tìm quy

trình tối ưu và khảo sát ảnh hưởng

của các thông số vật lý lên quá trình

đốt nóng. Về ảnh hưởng của các

thông số vật lý bên ngoài lên hiệu

ứng MIH, các kết quả đều chứng

minh giá trị SAR hay SLP của các hệ

chất lỏng hạt nano từ đều tăng đáng

kể theo các tham số từ trường của hệ

đo [7]. Tuy nhiên, các nghiên cứu về

sự ảnh hưởng của các đặc trưng của

39

chất lỏng từ lên quá trình đốt nóng chủ yếu đề cập đến từ độ bão hòa và kích thứơc

hạt trung bình mà còn rất ít quan tâm đến một số tham số quan trọng khác của hạt

lõi hay độ nhớt của chất lỏng từ.

Một số ít nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của tham số nội của chất

lỏng đến hiệu ứng MIH đã đạt những kết quả rất thú vị. Tác giả Krishnan [108] đã

tìm thấy SLP phụ thuộc mạnh vào kích thước đối với hệ chất lỏng từ Fe3O4 ở từ

trường 14 kA/m, 376 kHz (hình 1.24). Kết quả cho thấy SLP đạt cực đại tại kích

thước 16 nm – điều này khẳng định sự tồn tại kích thước cực trị đối với hệ chất lỏng

hạt nano từ Fe3O4. Xét về ảnh hưởng của kích thước, một số kết quả nghiên cứu

thực nghiệm bước đầu khẳng định giá trị công suất đốt nóng cảm ứng từ suy giảm

khi độ phân bố kích thước của hệ hạt nano từ mở rộng [22, 23, 108]. Đến nay, các

nghiên cứu thực nghiệm về vấn đề này còn rất ít vì các tham số này chịu ảnh hưởng

rất nhiều từ phương pháp tổng hợp.

Bên cạnh đó, độ nhớt của hệ chất lỏng hạt nano từ thường thay đổi từ 1

mPa⋅s (môi trường như nước) đến 4 mPa⋅s (độ nhớt của tế bào) trong cơ thể người

[94]. Hình 1.25 thể hiện thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của hai hệ chất lỏng từ

CoFe2O4 và Fe3O4 [94]. Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Jeun và cộng sự [94]

cũng cho thấy tác động khác nhau của η lên hiệu ứng MIH đối với hai hệ chất lỏng

từ có K khác bậc nhau: giá trị nhiệt độ bão hòa của hệ chất lỏng từ Fe3O4 gần như

không thay đổi thì giá trị này của hệ chất lỏng từ CoFe2O4 giảm mạnh khi độ nhớt

tăng (hình 1.24). Đồng thời, nhóm tác giả Fortin và các cộng sự [22] tìm thấy SLP

của hai hệ chất lỏng từ γ-Fe2O3 giảm nhẹ từ 135 W/g xuống 100 W/g, trong khi SLP

của CoFe2O4 giảm mạnh từ 420 W/g xuống 90 W/g khi độ nhớt tăng từ 0,75 mPa⋅s

đến 335 mPa⋅s. Các kết quả này đều cho thấy ảnh hưởng của độ nhớt đến giá trị

SLP của hệ chất lỏng từ: SLP có khuynh hướng giảm khi độ nhớt của chất lỏng từ

tăng nhưng theo mức độ hết sức khác nhau tùy thuộc vào lại chất có độ dị hướng từ

mạnh hay yếu. Cụ thể, các hệ vật liệu từ có dị hướng từ thấp như γ-Fe2O3, Fe3O4

suy giảm chậm hơn so với các hệ vật liệu từ có dị hướng từ cao như CoFe2O4 khi độ

nhớt tăng. Sự sai khác này có thực sự liên quan đến dị hướng từ của hệ chất lỏng

từ? Đến nay, vai trò của độ nhớt η hay dị hướng từ K đối với SLP hầu như không

được nhắc tới trong các nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng MIH. Do đó, vấn đề

40

Hình 1.25. Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của CoFe2O4 và Fe3O4 ứng với các độ

nhớt khác nhau [93].

này cần được nghiên cứu kỹ nhằm giải quyết bài toán thực nghiệm trong ứng dụng

y sinh của hiệu ứng này.

Tóm lại, các nghiên cứu thực

nghiệm về hiệu ứng MIH đến nay là

khá phong phú và đa dạng về kết quả.

Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm

hầu hết tập trung tìm kiếm các vật

liệu có SAR cao và bền. Các kết quả

này chỉ thể hiện đặc trưng quá trình

đốt nóng của một hoặc một số vật

liệu điển hình. Do đó, các đặc trưng

chung nhất của hiệu ứng đốt nóng

cho tất cả các hệ vật liệu chưa được

đề cập và nghiên cứu hệ thống. Thí

dụ như thực nghiệm đều khẳng định

sự tồn tại thông số tối ưu của hiệu

ứng này đối với mỗi chất lỏng từ

nhưng chưa đề cập đến vấn đề các

thông số này của các nhóm vật liệu

giống khác nhau như thế nào, chịu

ảnh hưởng của các thông số vật lý khác ra sao? Nói cách khác, nghiên cứu hệ thống

và chi tiết ảnh hưởng của từng tham số vật lý (từ trường đo và các tham số nội của

hệ chất lỏng hạt nano từ) đến giá trị SLP của hiệu ứng MIH vẫn chưa được đề cập

đến. Nguyên nhân chính là do những khó khăn trong nghiên cứu thực nghiệm: sự

phụ thuộc của tính chất từ vào kích thước và hình dạng của các hệ chất lỏng hạt

nano 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 mô hình

lý thuyết hiệu ứng này. Do thực tiễn ứng dụng trong y sinh, các hạt nano từ có

đường kính trong khoảng 10 ÷ 50 nm và ở trạng thái siêu thuận từ nhằm tránh hiện

41

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 mô hình lý thuyết đáp ứng tuyến tính LRT được áp dụng phổ

biến. Các công trình nghiên cứu lý thuyết đều tập trung giải quyết vấn đề liên quan

các thông số đặc trưng của hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ và các yếu tổ ảnh hưởng

lên chúng.

Theo mô 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 công 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 hệ đạt 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 không

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 mô 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

chất lỏng từ có kích thước gần với kích thước tới hạn [108].

42

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 quả đơn 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 công 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 công 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 công 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 từ nhưng sự ảnh hưởng của các tham số vật lý cả

của từ trường 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 về cơ chế đóng góp chính vào công suất đốt

nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng hạt nano từ. Phải kể đến kết quả nghiên cứu

43

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 mô hình lý thuyết LRT và SWMBTs, đã chứng tỏ trong

vùng kích thước từ 6,3 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 công 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 công 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 toán số. Đồng thời, các kết

luận mới rút ra từ kết quả tính toán được minh họa bằng thực nghiệm trong luận án.

Ngoài 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

trò của K là rất quan trọng quyết định đến sự thay đối giá trị SLP(D) đối với các hệ

hạt nano siêu thuận từ như hình 1.27. Để làm sáng tỏ hơn ảnh hưởng của K đến SLP

chúng tôi tập trung nghiên cứu cả tính toán 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

cơ chế tổn hao từ trễ có ảnh hưởng như thế nào đến việc tối ưu hóa hiệu ứng MIH?

44

Tóm lược chương 1

Hiệu ứng MIH giúp các hạt nano trở thành các nguồn nhiệt có kích thước

nano dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này của các hệ chất lỏng hạt nano

từ cho thấy khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong y sinh (như nhiệt

từ trị, nhả thuốc bằng kích nhiệt từ, gia công 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 công suất đốt nóng cảm ứng từ. Tuy nhiên, mô 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 thể người (từ trường hệ đo 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 thông 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?

45

CHƯƠNG 2

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG TỪ

THEO MÔ 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 từ trường ngoài để trở thành các nguồn nhiệt cục bộ kích 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 từ trường 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 tụ đám, 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 thể người, giá trị H thường nhỏ hơn giá trị HC của hệ

hạt nano từ [68]. Vì vậy, mô hình đáp ứng tuyến tính (LRT) được áp dụng phổ biến

trong các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hiệu ứng này.

Theo mô 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 trị ung thư nói riêng là lượng các hạt nano từ được 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 trò “thực nghiệm số” có thể giải quyết. Do đó, trong

chương này của luận án, chúng tôi tập trung trình bày các nghiên cứu tính toán và

phân tích kết quả về công suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô hình LRT.

46

2.1. Các đặc trưng công suất đốt nóng cảm ứng từ

Đối với các hệ chất lỏng hạt nano siêu thuận từ hoặc vùng từ trường thấp (H

nhỏ hơn HC), các yếu tố đóng góp chính cho công suất đốt nóng cảm ứng từ là tổn

hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown [69]. Do đó, mô hình lý thuyết đáp

ứng tuyến tính phù hợp để giải thích hiệu ứng MIH trong các trường hợp này.

Theo mô hình LRT, công suất đốt nóng cảm ứng từ của chất lỏng từ phụ

thuộc vào kích thước hạt, độ nhớt chất lỏng từ, từ độ bão hòa; dị hướng từ; cường

độ từ trường và tần số của từ trường hệ đo. Xét về khía cạnh ứng dụng trong y sinh,

chúng tôi đặc biệt quan tâm đến hai vấn đề trong “thực nghiệm số” khảo sát công

suất đốt nóng cảm ứng từ theo mô hình LRT. Đầu tiên, công suất tổn hao riêng của

hiệu ứng MIH có thể đạt giá trị cực đại SLPmax tại một kích thước tới hạn nào đó

(Dcp – critical particle diameter) khi thỏa mãn điều kiện ωτ = 1 [3]. Thứ hai, sự cạnh

tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown gây ảnh

hưởng như thế nào đến SLPmax hoặc Dcp? Mặc dù hai vấn đề đã được đề cập trong

một số công trình nghiên cứu [19-23] nhưng giới khoa học vẫn chưa đánh giá một

cách toàn diện các vấn đề trên. Ngoài ra, sự thay đổi độ rộng của đồ thị dạng “đỉnh”

SLP(D) theo giá trị dị hướng từ K hay sự khác nhau về độ rộng này đối với các hệ

chất lỏng từ cũng chưa được đề cập đến. Vì vậy, chúng tôi sẽ phân tích và giải thích

rõ các vấn đề này trong các phần tiếp theo của luận án.

Một vấn đề khác cũng cần lưu ý đến là sự giao nhau về điều kiện áp dụng các

mô hình lý thuyết (hình 1.15), tức là trong quá trình tính toán cần phải chú ý đến

điều kiện biên của bài toán. Nghiên cứu của các nhóm tác giả Hergt [70] và J.

Carrey [53] cho thấy quá trình tổn hao hồi phục vẫn có đóng góp vào quá trình sinh

nhiệt của hệ hạt nano từ khi điều kiện của mô hình LRT không được thỏa mãn. Để

phân tích kỹ ảnh hưởng của các tham số vật lý đến hiệu ứng MIH cũng như đánh

giá sự cạnh tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và Brown, chúng tôi tiến

hành “thực nghiệm số” trên một dải rộng các vật liệu nano từ tính với sự biến thiên

của các tham số vật lý. Vì vậy, trong một số trường hợp ứng với một số vật liệu cụ

thể mặc dù điều kiện của mô hình LRT không được thỏa mãn nhưng các kết quả đó

vẫn có ý nghĩa, từ đó đánh giá được khuynh hướng ảnh hưởng của tham số vật lý

đến hiệu ứng MIH.

47

2.1.1. Sự cạnh tranh giữa hai đóng góp tổn hao hồi phục

Theo mô hình LRT, tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown là hai

cơ chế sinh nhiệt chính của hiệu ứng MIH khi hạt nano từ có kích thước trong vùng

siêu thuận từ hoặc hiệu ứng được đo ở vùng từ trường thấp thỏa mãn điều kiện ξ <

1. Sự cạnh tranh đóng góp giữa hai cơ chế tổn hao này đã được đề cập đến trong

công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Deatsch và cộng sự [3]. Kết quả cho thấy

đối với các hạt Fe3O4, tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế khi kích thước hạt D >

13 nm ứng với tham số dị hướng từ K = 40 kJ/m3 hoặc D > 20 nm ứng với K = 10

kJ/m3. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả này chỉ là kết quả riêng cho

hệ chất lỏng từ Fe3O4. Do đó cần phải mở rộng vấn đề này cho các hệ hạt từ khác để

tìm ra quy luật chung cho các nghiên cứu về hiệu ứng MIH. Trong phần này của

luận án, chúng tôi phân tích và đánh giá toàn diện sự cạnh tranh đóng góp giữa hai

cơ chế tổn hao hồi phục dựa trên kết quả thời gian hồi phục của 6 hệ chất lỏng từ.

Bảng 2.1. Tính chất từ của các hệ hạt nano từ.

Chất lỏng từ Ms (emu/g) K (kJ/m3) ρ (kg/m3)

FeCo 180÷220 [20, 110, 111] 1,5 [20] 8140 [20]

La0.7Sr0.3MnO3 20÷50 [87, 112] 2 [87, 112] 6700 [87, 112]

MnFe2O4 120÷130 [113] 3 [113] 5368 [113]

Fe3O4 40÷90 [20] 9÷41 [19, 20] 5180 [20]

CoFe2O4 90 [20] 290 [20] 4907 [89]

FePt 60-80 [20] 206 [20] 15200 [20]

Đầu tiên, chúng tôi tính toán các giá trị thời gian hồi phục của các hệ chất

lỏng từ FeCo, La0.7Sr0.3MnO3, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt theo mô hình

LRT với giả thiết các hạt nano từ có dạng hình cầu, bề dày lớp vỏ (δ) 1 nm và được

phân tán vào dung môi (1 ÷ 4 mPa⋅s) thành chất lỏng từ với nồng độ (φ) 1 mg/ml.

Hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ đều được giả thiết đo với cường độ từ trường H và

tần số f thỏa mãn điều kiện H.f < 4,85 x 108 Am-1s-1 [74]. Giá trị dị hướng từ K và

khối lượng riêng của các hệ hạt nano từ sử dụng trong tính toán được trình bày ở

bảng 2.1. Giá trị từ độ bão hòa Ms được sử dụng trong tính toán SLP của các hệ chất

lỏng từ lần lượt là 200 emu/g (FeCo), 50 emu/g (La0.7Sr0.3MnO3 – LSMO), 120

48

emu/g (MnFe2O4), 90 emu/g (Fe3O4), 90 emu/g (CoFe2O4) và 80 emu/g (FePt).

Trong các tính toán của chúng tôi, các đại lượng như thời gian hồi phục (τ), công

suất tổn hao riêng (SLP) được xem như hàm số theo đường kính hạt nano từ D với

sai số dD là 0,5 nm.

Hình 2.1. Sự phụ thuộc vào D của các thời gian hồi phục đối với các hệ chất lỏng từ

(a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình nhỏ: hình xác định các giá trị DN; DB đối với các hệ chất lỏng từ.

49

Dựa vào các công thức (1.13), (1.18) và (1.19), các giá trị thời gian hồi phục

trên đều phụ thuộc vào D và τ chịu sự ảnh hưởng chính bởi giá trị nhỏ hơn giữa hai

giá trị τN và τB. Kết quả tính toán thời gian hồi phục phụ thuộc kích thước hạt đối

với 6 hệ chất lỏng từ trình bày trên hình 2.1. Đối với từng chất lỏng từ, hai giá trị τN

và τB bằng nhau ứng với kích thước DNB của hạt nano từ. Quá trình tổn hao hồi phục

Néel chiếm ưu thế ở vùng kích thước nhỏ D < DNB và quá trình tổn hao hồi phục

Brown chiếm ưu thế ở vùng kích thước lớn D > DNB. Giá trị DNB ứng với các chất

lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt lần lượt là 39 nm, 35 nm,

30,5 nm, 20 nm, 6,5 nm và 6,5 nm (bảng 2.2). Kết quả về giá trị DNB của chất lỏng

từ Fe3O4 phù hợp với nghiên cứu của nhóm tác giả Deatsch và cộng sự [3]. Ngoài

ra, ảnh hưởng chính của tổn hao hồi phục Néel lên hiệu ứng MIH cũng được đề cập

trong các nghiên cứu của các nhóm tác giả Urtizberea [114], Pineiro-Redondo

[115], Wang [116], Bakoglidis [117] và Linh [25]; trong khi tổn hao hồi phục

Brown chiếm ưu thế được thể hiện trong các nghiên cứu của Bakoglidis [117],

Eggman [118], Dennis [119], Verges [120], Pineiro-Redondo [115] và P. de la

Presa [121]. Các nghiên cứu đều khẳng định tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế ở

vùng kích thước nhỏ và tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế ở vùng kích thước

lớn.

Bảng 2.2. Các giá trị DB, DN, Dcp và ∆Dcp của các chất lỏng từ (tần số 236 kHz).

Hệ chất lỏng từ DN

(nm)

DNB

(nm)

DB

(nm)

Dcp

(nm)

∆Dcp

(nm)

FeCo 35,5 39 42 34,5 4

LSMO 32 35 38 31,5 4

MnFe2O4 27,5 30,5 33 27,5 4

Fe3O4 18 20 22,5 19 7

CoFe2O4 5 6,5 7,5 16,5 17

FePt 4,5 6,5 7,5 14,5 12

Tuy nhiên, cách phân chia hai vùng kích thước này không làm nổi bật sự

đóng góp chính của từng quá trình tổn hao trong các vùng kích thước. Từ kết quả

các đồ thị τ(D), chúng tôi nhận thấy sự tồn tại 3 vùng kích thước khác nhau đối với

quá trình tổn hao hồi phục. Đó là vùng cơ chế tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế

50

tuyệt đối (vùng I), vùng cơ chế tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế tuyệt đối

(vùng III) và vùng đóng góp chung của hai tổn hao hồi phục (vùng II). Hai giá trị

DN và DB được sử dụng để phân chia 3 vùng kích thước này: vùng I – D < DN, vùng

II – DN ≤ D ≤ DB,và vùng III – D > DB. Với độ nhớt chất lỏng từ 1 mPa⋅s, giá trị DN

ứng với các chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt lần lượt

là 35,5 nm, 32 nm, 27,5 nm, 18 nm, 5 nm và 4,5 nm. Tương tự, giá trị DB của 6 hệ

chất lỏng từ tương ứng là 42,5 nm, 38 nm, 33 nm, 22,5 nm, 7,5 nm và 7,5 nm. Các

giá trị DN, DNB và DB được trình bày trong bảng 2.2 cho thấy giá trị DN luôn nhỏ hơn

giá trị DB đối với tất cả hệ chất lỏng từ.

Bảng 2.2 đồng thời cũng liệt kê các giá trị Dcp ở tần số 236 kHz. Các giá trị

Dcp lần lượt là 34,5 nm, 31,5 nm, 27,5 nm, 19 nm, 16,5 nm và 14,5 nm tương ứng

với các hệ chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt. Sự tồn tại

cặp giá trị kích thước tới hạn Dcp khớp với các nghiên cứu của các nhóm tác giả A.

E. Deatsch [3], R. E Rosensweig [19], S. Maenosono [20], A. H. Habib [21] và J.-P.

Fortin [22, 23] cho từng chất những nhóm này đề cập. Bên cạnh đó, chúng tôi nhận

thấy sự phân tách thành hai nhóm chất lỏng từ khi so sánh giá trị Dcp với giá trị DNB.

Giá trị Dcp của các chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4 đều nhỏ hơn giá

trị DNB: quá trình tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế. Ngược lại, kích thước tới hạn

của các chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt lớn hơn giá trị DNB. Đặc biệt giá trị Dcp không

những lớn hơn giá trị DNB mà còn lớn hơn giá trị DB chứng tỏ vùng cơ chế tổn hao

hồi phục Brown chiếm ưu thế tuyệt đối.

2.1.2. Biểu hiện đỉnh cực đại của đường SLP phụ thuộc kích thước hạt

Các nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng MIH đều khẳng định sự tồn tại các giá

trị cực trị của SLPmax và Dcp [3, 19-23]. Sự phụ thuộc của SLP vào D đối với 6 chất

lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt được biểu diễn trên hình

2.2. Kết quả này khẳng định SLP phụ thuộc rất mạnh vào kích thước hạt. Theo

chiều tăng của kích thước hạt nano từ, SLP tăng đến giá trị cực đại SLPmax (ứng với

kích thước Dcp); sau đó, SLP giảm nhanh về giá trị 0 W/g đối với tất cả các hệ chất

lỏng từ. Giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ được liệt kê ở bảng 2.2.

51

Hình 2.2. Sự phụ thuộc của SLP vào D của các hệ chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4,

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với từ trường 65 Oe, 236 kHz.

Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy SLP phụ thuộc mạnh vào kích

thước hạt. Biểu hiện của sự phụ thuộc này chính là sự tồn tại các giá trị cực trị

SLPmax và Dcp. Các giá trị SLPmax và Dcp của chúng tôi hoàn toàn khớp với các công

trình nghiên cứu [3, 19-23]. Thí dụ, giá trị Dcp của chất lỏng từ FeCo là 34,5 nm

được tìm thấy bởi nhóm tác giả Maenosono và các cộng sự [20]. Chất lỏng từ Fe3O4

đạt SLPmax khi kích thước hạt là 19 nm cũng được đề cập trong các công trình [3,

20].

Khác hơn với các nghiên cứu trước đây chỉ quan tâm giá trị tuyệt đối của hai

giá trị này, chúng tôi phân tích thêm đặc trưng dạng đỉnh cực trị của đồ thị SLP(D)

và nhận thấy có sự khác biệt thú vị. Sự khác biệt dạng đỉnh thể hiện ở hai nhóm vật

liệu, một là nhóm các chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4; và nhóm thứ hai

gồm CoFe2O4, FePt. Trong khi nhóm đầu có độ bán rộng của đỉnh hẹp thì nhóm còn

lại có độ bán rộng khá rộng. Do đó ngoài 2 tham số SLPmax và Dcp đặc trưng cho

biểu hiện dạng đỉnh của công suất tổn hao phụ thuộc kích thước hạt từ mà một số

tác giả trước đây cũng đã lưu ý ở mức độ nào đó [19, 21-23], chúng tôi đề xuất

thêm tham số độ rộng bán vạch ∆Dcp để mô tả đầy đủ đặc trưng quan trọng này

(bảng 2.2). Giá trị ∆Dcp liên quan độ suy giảm công suất cực đại theo độ lệch khỏi

kích thước tới hạn Dcp. Thí dụ, sự sai lệch kích thước lớn hơn 2 nm về hai phía so

với kích thước tới hạn Dcp dẫn đến sự suy giảm SLPmax đến hơn 50% đối với các hệ

chất lỏng từ FeCo; nhưng, sự sai lệch này không ảnh hưởng nhiều đến hiệu ứng

MIH trong chất lỏng từ FePt.

52

2.1.3. Đặc trưng tham số tối ưu của các vùng có cơ chế tổn hao khác nhau

Mô hình LRT nghiên cứu ảnh hưởng của tổn hao hồi phục lên quá trình sinh

nhiệt của hiệu ứng MIH. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ quan tâm

giá trị tuyệt đối của hai giá trị SLPmax và Dcp mà không đề cập đến sự ảnh hưởng của

các cơ chế tổn hao hồi phục Néel và Brown đến các giá trị này. Do đó, chúng tôi

tiến hành phân tích đặc trưng tham số tối ưu trong các vùng có cơ chế tổn hao khác

nhau.

Như đã đề cập ở mục 2.1.1, sự khác biệt về giá trị kích thước tới hạn Dcp của

hai nhóm chất lỏng từ bao gồm nhóm các chất lỏng từ có giá trị K thấp (FeCo,

LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4) và nhóm các chất lỏng từ có giá trị K cao (CoFe2O4 và

FePt) (bảng 2.2). Bên cạnh đó, sự khác biệt giữa hai nhóm chất lỏng từ này còn thể

hiện qua giá trị độ rộng bán vạch của chúng. Giá trị ∆Dcp lớn hơn 10 nm đối với các

hệ chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt. Ngược lại giá trị ∆Dc cho các hệ chất lỏng từ

FeCo, LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4 nhỏ hơn 10 nm. Sự khác nhau về giá trị Dcp và

∆Dcp có nguyên nhân từ tính chất dị hướng từ của hệ hạt nano từ. Kết quả này phù

hợp với nghiên cứu của Rosensweig [19]. Điều này cho thấy có sự phân chia kiểu

đặc trưng SLP phụ thuộc D của hệ chất lỏng từ tùy theo vùng giá trị dị hướng từ; cụ

thể các hệ chất lỏng từ có giá trị K thấp như FeCo, LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4; và,

hệ chất lỏng từ có giá trị K cao như CoFe2O4 và FePt. Hai nhóm hạt nano từ này

hơn kém nhau 1 bậc giá trị về độ lớn của dị hướng từ. Từ đây, chúng tôi phân biệt

các chất lỏng từ này thành hai nhóm: nhóm A gồm các chất lỏng từ có giá trị K thấp

(FeCo, LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4) (K < 10 kJ/m3) và nhóm B gồm các chất lỏng từ

có giá trị K cao (CoFe2O4 và FePt) (K > 100 kJ/m3).

Đối với các chất lỏng từ nhóm A, đồ thị SLP(D) có dạng “đỉnh nhọn” với độ

rộng bán vạch hẹp. Ngược lại, đồ thị SLP(D) có dạng “hình chuông” với ∆Dcp lớn

đối với các chất lỏng từ nhóm B. Nguyên nhân của hiện tượng chính là do Dcp của

hai nhóm hệ chất lỏng từ này nằm trong hai vùng khác nhau. Giá trị Dcp nhỏ hơn giá

trị DNB đối với các chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4 và Fe3O4, và lớn hơn giá trị

DNB đối với các chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt. Về mặt cơ chế: ứng với kích thước

tới hạn, tổn hao Néel chiếm ưu thế đối với các chất lỏng từ nhóm A; và, tổn hao

Brown chiếm ưu thế đối với các chất lỏng từ nhóm B.

53

Cần nhấn mạnh rằng việc tính toán và phân tích các tham số đặc trưng đỉnh

của SLP phụ thuộc D không chỉ cho thông tin về định hướng vùng kích thước hạt

tối ưu (Dcp ) đối với hạt nano từ nào đó, mà còn cho biết mức độ suy giảm công suất

tổn hao cực đại khi kích thước hạt bị lệch khỏi kích thước tối ưu này. Và độ suy

giảm này còn tùy thuộc vào tham số dị hướng từ của hạt nữa. Chẳng hạn sự sai lệch

kích thước lớn hơn 2 nm về hai phía so với kích thước tới hạn Dcp dẫn đến sự suy

giảm SLPmax đến hơn 50% đối với các hệ chất lỏng từ nhóm A; nhưng sự sai lệch

này không ảnh hưởng nhiều đến hiệu ứng MIH khi chất lỏng từ nhóm B.

Tóm lại, kết quả tính toán ban đầu cho thấy sự tồn tại của các tham số tối ưu

liên quan đến hiệu ứng MIH bao gồm công suất tổn hao riêng cực đại SLPmax, kích

thước tới hạn Dcp và độ rộng bán vạch ∆Dcp đối với các hệ chất lỏng từ. Trong khi

giá trị SLPmax có ý nghĩa về độ lớn cực đại của hiệu ứng MIH thì các giá trị Dcp có ý

nghĩa quan trọng liên quan đến việc tổng hợp các hệ hạt nano từ sao cho đạt được

giá trị cực đại SLPmax, và ∆Dcp liên quan độ suy giảm công suất cực đại theo độ lệch

khỏi đường kính hạt tối ưu. Vậy, các tham số tối ưu này phụ thuộc như thế nào vào

các tham số vật lý như tham số nội tại của hệ chất lỏng từ hoặc các tham số của từ

trường kích hoạt? Đáp án của câu hỏi này chính là chìa khóa dẫn đến việc giải bài

toán tối ưu hóa hiệu ứng MIH các ứng dụng y sinh. Vì vậy, trong các phần tiếp theo

của chương này, chúng tôi tiến hành tính toán và phân tích ảnh hưởng của các tham

số vật lý đến bộ ba tham số tối ưu của hiệu ứng MIH.

2.2. Ảnh hưởng của các tham số vật lý đến tham số công suất tối ưu

2.2.1. Các tham số của từ trường kích hoạt

a. Cường độ từ trường

Công suất đốt nóng cảm ứng từ phụ thuộc vào H2, f và ( ),, fχ (biểu thức

1.21). Phần ảo của độ cảm từ xoay chiều còn phụ thuộc vào cường độ từ trường

(biểu thức 1.22 và 1.23). Do đó, sự phụ thuộc SLP vào cường độ từ trường có thể

theo một hàm mũ (bậc một, bậc hai, hay bậc ba) hay một hàm khác phức tạp hơn.

54

Hình 2.3. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các cường độ từ trường khác nhau của các

hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hình 2.3 thể hiện đồ thị SLP(D) của 6 hệ chất lỏng từ ứng với các cường độ

từ trường 65 Oe, 100 Oe và 200 Oe (cùng tần số 236 kHz). Kết quả cho thấy SLP

của các hệ chất lỏng từ đều có khuynh hướng tăng theo cường độ từ trường. Để làm

rõ mối quan hệ giữa hiệu ứng MIH với H, chúng tôi tiến hành khảo sát và phân tích

sự ảnh hưởng của H đối với hiệu ứng này. Giá trị H thường sử dụng nằm trong

khoảng 50 Oe đến 650 Oe [122-124] ứng với tần số cỡ 100 kHz (tần số phù hợp với

các ứng dụng trong y sinh học) nhằm đảm bảo H.f nằm trong giới hạn an toàn của

cơ thể [74]. Tỉ số( )

( )( )50SLP H

SLP H Oe= được sử dụng cho tất cả các hệ chất lỏng từ

nhằm đảm bảo sự thống nhất trong việc đánh giá ảnh hưởng của cường độ từ trường

đối với hiệu ứng MIH.

55

Hình 2.4. Sự phụ thuộc vào H0 của tỷ lệ ( )

( )( )50SLP H

SLP H Oe= đối với các hệ FeCo, LSMO,

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với đường kính (a) 4 nm và (b) 36 nm.

Đối với các hệ chất lỏng từ có đường kính 4 nm (hình 2.4 (a)), SLP phụ

thuộc vào bình phương cường độ từ trường. Trong khi đó, SLP phụ thuộc tuyến tính

vào H đối với các chất lỏng từ có đường kính 36 nm (hình 2.4 (b)). Khi kích thước

hạt tăng từ vài nm đến vài chục nm, SLP phụ thuộc vào H chuyển từ hàm bậc hai

sang thành hàm tuyến tính đối với các hệ chất lỏng từ theo mô hình LRT. Các kết

quả tương tự cũng được nhiều nhóm tác giả tìm thấy trong các nghiên cứu những

năm gần đây. Các nhóm tác giả Rosensweig [19], Maenosono [20], Nikham [125]

và Kishimoto [126] tìm thấy sự phụ thuộc tuyến tính của SLP vào H. Các nhóm tác

giả Habib [21], Hiergeist [127], Dennis [128], Mehdaoui [129], Pradhan [130] và

Kim [131] thì tìm thấy SLP phụ thuộc vào H theo hàm bậc hai. Trong khi đó, một

số nghiên cứu thực nghiệm lại chỉ ra sự phụ thuộc SLP vào H theo các dạng hàm

khác như H2.5[132] hay H3 [127]. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thực nghiệm SLP

phụ thuộc vào H đối La0.7SrxCa0.3-xMnO3 [133] cho thấy SLP có xu hướng bão hòa

khi cường độ từ trường tăng. Nguyên nhân dẫn đến các kết quả khác nhau này chính

là do tham số H ảnh hưởng đến SLP thông qua hàm mũ Hα và phần ảo của độ cảm

từ xoay chiều ( ),, fχ . Các kết quả này cho thấy sự phụ thuộc phức tạp vào H của

SLP của các hệ chất lỏng từ.

56

Hình 2.5. Sự phụ thuộc vào H của tỷ lệ ( )

( )( )max

max 50SLP H

SLP H Oe= đối với các hệ FeCo, LSMO,

MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp.

Đến nay, mặc dù các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của cường độ từ trường

đến giá trị SLP nói chung rất nhiều nhưng vẫn chưa thấy nghiên cứu đánh giá ảnh

hưởng của cường độ từ trường đến các tham số tối ưu của hiệu ứng MIH. Vì vậy,

chúng tôi tiến hành phân tích ảnh hưởng của cường độ từ trường đến các tham số tối

ưu của hiệu ứng MIH. Hình 2.3 cho thấy giá trị kích thước tối ưu và độ rộng bán

vạch của đồ thị SLP(D) theo H. Giá trị kích thước hạt tối ưu liên quan đến điều kiện

ωτ = 1. Các tham số ω hay τ đều không phụ thuộc vào cường độ từ trường. Điều

này giải thích sự không phụ thuộc vào cường độ từ trường của các tham số tối ưu

Dcp và ∆Dcp.

Bên cạnh đó, kết quả cho thấy giá trị SLPmax tăng tuyến tính theo H đối với 6

hệ chất lỏng từ (hình 2.5). Tại kích thước tới hạn, cơ chế sinh nhiệt chính của các

chất lỏng từ nhóm A chính là tổn hao hồi phục Néel. Ngược lại, tổn hao hồi phục

Brown là cơ chế sinh nhiệt chủ yếu của các chất lỏng từ nhóm B. Điều này cho thấy

hiệu năng của hiệu ứng MIH đều tăng tuyến tính tại kích thước tới hạn cho dù cơ

chế sinh nhiệt chính là tổn hao hồi phục Néel hay Brown.

57

b. Tần số

Giá trị SLP của các hệ chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4

và FePt đã được tính toán như một hàm số SLP(D) ứng với tần số thay đổi trong

khoảng 100 kHz ÷ 1 MHz với giả thiết cường độ từ trường không đổi 80 Oe.

Dựa vào mô hình LRT, SLP của hệ chất lỏng từ chịu ảnh hưởng của tần số

theo 3 vùng rõ rệt: 2SLP f khi 1ωτ << , SLP không phụ thuộc vào tần số khi

1ωτ >> và SLP f trong trường hợp tần số của từ trường thỏa mãn 1ωτ ≈ . Kết

quả tính thu được về sự ảnh hưởng của f lên SLP hoàn toàn khớp với nhận định của

các nhóm tác giả Deatsch [3] và Habib [21]. Trong khoảng vùng tần số thỏa mãn

1ωτ ≈ , SLP đạt giá trị cực đại khi hạt nano từ có kích thước Dcp khi 1ωτ = . Điều

này thu hút sự quan tâm của giới khoa học đến sự ảnh hưởng f đến hiệu ứng MIH

của các hạt nano từ của các chất khác nhau.

Hình 2.6 thể hiện đồ thị SLP(D) của 6 hệ chất lỏng từ ứng tính cho các tần

số: 50 kHz, 150 kHz và 250 kHz. Tỷ lệ ( )( )100SLP f

SLP f kHz= được sử dụng để so sánh

tương đối sự ảnh hưởng của tần số đối với giá trị SLP của tất cả các hệ chất lỏng từ.

Kết quả cho thấy: sự phụ thuộc khác nhau của SLP vào tần số tùy vào kích thước

hạt của hệ chất lỏng từ. Thí dụ, đối với 6 hệ chất lỏng từ với D = 5 nm, 2SLP f (

1ωτ << ) (hình 2.7). Khi 1ωτ << nghĩa là mτ τ<< : đối với các hạt siêu thuận từ

trong quá trình từ hóa, các spin đảo chiều nhanh khi tần số cao. Đáp ứng theo sự

thay đổi chiều của từ trường gần như là tức thời mà không có trễ từ. Điều này cho

thấy một ưu điểm của các hạt nano từ ở vùng kích thước nhỏ trong ứng dụng y sinh,

đó là SLP phụ thuộc vào tần số theo hàm bậc 2.

58

Hình 2.6. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các tần số khác nhau của

các hệ (a) FeCo, (b) La0.7Sr0.3MnO3, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

59

Hình 2.7. Sự phụ thuộc vào f của tỷ lệ ( )

( )( )100SLP f

SLP f kHz= đối với các hệ

FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt có kích thước hạt 5 nm.

Từ hình vẽ 2.8, chúng tôi nhận thấy SLP không còn phụ thuộc vào tần số khi

kích thước của hạt nano từ lớn hơn một giá trị nhất định – Df . Giá trị này của 6 hệ

chất lỏng từ FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt lần lượt là 39 nm, 36

nm, 32 nm, 28 nm, 26 nm và 26 nm (hình 2.8). Khi 1ωτ >> nghĩa là mτ τ>> , thời

gian hồi phục của các hạt từ quá lớn nên ảnh hưởng của tần số lên quá trình đảo

chiều của các spin là không đáng kể. Tuy nhiên, các giá trị Df khác nhau đối với các

hệ chất lỏng từ nhóm A và không thay đổi đối với các hệ chất lỏng từ nhóm B.

Nguyên nhân của hiện tượng này liên quan đến quá trình tổn hao hồi phục (thời

gian hồi phục τ) chiếm ưu thế. Giá trị thời gian hồi phục hiệu dụng phụ thuộc vào

sự cạnh tranh giữa cơ chế tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown. Tổn

hao hồi phục Néel chiếm ưu thế hoặc sự đóng góp chung của cả 2 cơ chế tổn hao

tồn tại ở vùng kích thước nhỏ hơn 40 nm đối với các nhóm chất lỏng từ nhóm A.

Trong khi đó, tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế khi D > 8 nm đối với hai hệ

chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt nên giá trị Df không thay đổi theo dị hướng từ K. Điều

này cho thấy vai trò của dị hướng từ đối với sự cạnh tranh đóng góp của hai cơ chế

tổn hao đến hiệu ứng MIH. Vấn đề này sẽ được chúng tôi phân tích kỹ hơn ở phần

sau của luận án.

60

Hình 2.8. Sự phụ thuộc vào f của SLP đối với các hệ

FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt.

Một trong những nhận định về sự ảnh hưởng tần số đối với giá trị SLP theo

mô hình LRT là SLP phụ thuộc tuyến tính vào tần số trong trường hợp f thỏa mãn

1ωτ ≈ .Trong vùng này, giá trị SLP đạt giá trị cực đại SLPmax ứng với khi hạt có

kích thước Dcp thỏa mãn điều kiện 1ωτ = . Khi tần số thay đổi thì giá trị kích thước

hạt cũng thay đổi nhằm thỏa mãn điều 1ωτ = thì hiệu suất của hiệu ứng MIH là cực

đại. Kết quả tính toán cho thấy giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ có thay đổi nhất

định khi tần số thay đổi (bảng 2.3). Độ thay đổi giá trị Dcp khi tần số thay đổi là biểu

hiện khác nhau nhất định đối với hai nhóm chất lỏng từ A và B. Đối với chất lỏng

từ nhóm A, giá trị Dcp chỉ thay đổi 2,5 ÷ 3,5 nm khi tần số thay đổi từ 100 kHz đến

1 MHz. Trong khi đó, giá trị Dcp thay đổi 4,5 nm và 5,5 nm đối với các hệ chất lỏng

từ CoFe2O4 và FePt. Xét về tỷ lệ thay đổi thì giá trị Dcp của hai hệ chất lỏng từ này

thay đổi 25% - 34%; trong khi đó, giá trị Dcp của chất lỏng từ nhóm A chỉ thay đổi

∼10% đến ∼13%. Mặc dù giá trị Dcp của các nhóm hệ chất lỏng từ thay đổi khác

nhau nhưng độ rộng bán vạch ∆Dcp của các hệ chất lỏng từ đều không phụ thuộc

vào tần số.

61

Bảng 2.3. Giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ tính theo các tần số từ trường khác nhau.

Chất

lỏng từ

Tần số

(kHz)

FeCo

(nm)

LSMO

(nm)

MnFe2O4

(nm)

Fe3O4

(nm)

CoFe2O4

(nm)

FePt

(nm)

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

35,5

34,5

34

33,5

33

32,5

32,5

32

32

32

32,5

31,5

31

30,5

30

30

29,5

29

29

29

28,5

27,5

27

26,5

26

26

26

25,5

25,5

25,5

20

19,5

19

18,5

18,5

18

18

18

17,5

17,5

18

16

15

14,5

14,5

14

14

14

13,5

13,5

16

13,5

12,5

12

11,5

11

11

11

10,5

10,5

Do sự thay đổi của kích thước Dcp khi tần số thay đổi, chúng tôi tiến hành so

sánh giá trị SLP ứng với kích thước Dcp (tần số 100 kHz) đối với các hệ chất lỏng

từ. Hình 2.9 cho thấy SLP phụ thuộc tuyến tính vào tần số ở vùng tần số thấp (≤ 200

kHz) – thỏa mãn điều kiện 1ωτ ≈ . Giá trị SLP sẽ bão hòa ở vùng tần số cao khi tần

số tăng ( 1ωτ >> ). Tỷ lệ ( )

( )( )100SLP f

SLP f kHz= đạt giá trị bão hòa khác nhau đối với các

hệ chất lỏng từ. Tỷ lệ này càng cao đối với các hệ chất lỏng từ có giá trị K thấp.

62

Hình 2.9. Sự phụ thuộc vào f của ( )

( )( )100SLP f

SLP f kHz= đối với các hệ

FeCo, LSMO, MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với kích thước Dcp (f=100 kHz).

Tóm lại, các kết quả cho thấy mặc dù kích thước tới hạn Dcp thay đổi khi tần

số thay đổi nhưng sự thay đổi này là đáng kể đối với các hệ chất lỏng từ có giá trị K

cao. Bên cạnh đó, giá trị ∆Dcp không thay đổi theo tần số cho thấy các hệ chất lỏng

từ có giá trị K thấp phải được tổng hợp với độ chính xác kích thước hạt cao (∆Dcp

nhỏ) còn các hệ chất lỏng từ có giá trị K cao thì độ sai lệch kích thước có thể 6-8

nm mà vẫn đảm bảo 50% SLPmax.

Đến nay giới nghiên cứu khẳng định là SLP hay SLPmax tăng khi từ trường

của hệ đo tăng [3, 19-23, 127-133]. Tuy nhiên, việc các thông số của hệ đo bị giới

hạn [73] để đảm bảo an toàn cơ thể người chính là lý do giới khoa học quan tâm đến

việc đánh giá ảnh hưởng của các tham số nội hạt lên các tham số tối ưu hóa của hiệu

ứng MIH. Trong phần tiếp theo của luận án, chúng tôi trình bày sự ảnh hưởng của

các tham số nội hạt lên các tham số tối ưu SLPmax, Dcp và ∆Dcp.

2.2.2. Từ độ bão hòa

Trong thực nghiệm chế tạo mẫu hạt nano từ, các tham số từ tính của hệ hạt

thay đổi theo kích thước và tùy vào phương pháp chế tạo. Do đó, sự ảnh hưởng của

các tham số từ tính như Ms và K của hệ hạt nano từ tới SLP được giới nghiên cứu

63

đặc biệt quan tâm nhằm nâng cao giá trị SLP của hệ. Mặc dù kết quả nghiên cứu

SLP phụ thuộc vào Ms đã được công bố trong một vài nghiên cứu [73, 112, 133]

nhưng sự ảnh hưởng của Ms đối với các tham số công suất tối ưu chưa được đề cập

đến.

Hình 2.10. Sự phụ thuộc vào D của SLP ứng với các giá trị Ms khác nhau của các hệ

(a) FeCo, (b) LSMO, (c) MnFe2O4, (d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt.

Hàm SLP(D) tính cho các giá trị từ độ bão hòa khác nhau tại từ trường 65 Oe,

236 kHz được trình bày trên hình 2.10. Các giá trị từ độ bão hòa được sử dụng trong

64

tính toán nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tương ứng mẫu khối của hệ hạt nano từ. Tất cả

đồ thị (hình 2.10) đều cho thấy các giá trị SLP và SLPmax đều tăng khi MS tăng.

Hình 2.11. Sự phụ thuộc vào MS của SLPmax của các hệ (a)FeCo, (b)La0.7Sr0.3MnO3,

(c)MnFe2O4, (d)Fe3O4, (e)CoFe2O4 và (f)FePt (R2 là hệ số làm khớp hàm hàm tuyến tính).

Theo mô hình LRT: các mô men từ đáp ứng tuyến tính với từ trường ngoài

và công suất đốt nóng cảm ứng từ PLRT đạt cực đại khi ωτ=1 [3]. Kết hợp các điều

kiện này vào các biểu thức (1.21), (1.22), (1.23) và (1.24):

65

00

0

coths D SB

B D

M HM V Mk TH k T HM V H

µχµ

= − ≈

(2.1)

( )

( )/ / 0

0 2 2 21SMf

Hχωτχ χ

ωτ= = ≈

+ (2.2)

( ) ( )2

,, 2 0 0 00max 2 2LRT S

H f HfP f H f Mµ π χ µ πµ πχ= = ≈ (2.3)

( )max 0max .

2LRT

S S

P HfSLP M A Mµ πρ ρ

= ≈ = (2.4)

Từ công thức (2.4), chúng tôi nhận thấy SLPmax phụ thuộc tuyến tính theo

MS. Kết quả tính toán (hình 2.11 và bảng 2.4) và kết quả làm khớp hàm cho thấy

SLPmax phụ thuộc tuyến tính vào MS đối với tất cả các mẫu chất lỏng từ. Sự không

phụ thuộc của MS vào thời gian hồi phục là nguyên nhân dẫn đến mối quan hệ tuyến

tính giữa SLPmax và MS. Mặc dù Néel chỉ ra τN phụ thuộc vào MS; tuy nhiên, sự ảnh

hưởng không đáng kể trong trường hợp K cao hoặc từ trường thấp [40]. Vậy, trong

vùng từ trường thấp, SLPmax phụ thuộc tuyến tính theo MS hoàn toàn phù hợp với

mô hình LRT cũng như kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Lee và các cộng sự

[113] đã công bố.

Tuy nhiên, xét về tốc độ gia tăng SLP theo MS, các giá trị độ dốc max

S

SLPM

∆∆

của

chất lỏng từ (Bảng 2.4) cho thấy có sự phụ thuộc nhất định của tham số này theo giá

trị K của hạt nano từ: max

S

SLPM

∆∆

∼ 2,38 đối với 3 chất có K thấp FeCo, LSMO,

MnFe2O4, tham số này bắt đầu giảm với Fe3O4 và đạt gần bằng 1 đối với CoFe2O4.

Tương tự như kết quả phần 2.2.1 của luận án, giá trị Dcp của nhóm A nằm trong

vùng II và giá trị này của nhóm B nằm trong vùng III chính là nguyên nhân dẫn đến

sự khác biệt này. Độ lớn của độ dốc max

S

SLPM

∆∆

của các chất lỏng từ có giá trị K thấp

đều lớn hơn giá trị tương ứng của các chất lỏng từ có giá trị K cao. Nguyên nhân

được cho là do quá trình từ hóa spin của các hạt nano có dị hướng từ thấp dễ dàng

66

hơn các hạt nano từ có dị hướng từ cao. Kết quả này tiếp tục minh chứng vai trò của

dị hướng từ K trong việc giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng MIH.

Bảng 2.4. Độ dốc max

s

SLPM

∆∆

của các hệ chất lỏng từ


Chất lỏng từ K

(kJ/m3) max

s

SLPM

∆∆

Hệ số làm khớp hàm R2

FeCo 1,5 2,39 1

LSMO 2 2,37 1

MnFe2O4 3 2,39 1

Fe3O4 9 2,14 0,99729

CoFe2O4 180 1,05 0,99879

FePt 206 1,77 0,99985

Từ hình vẽ 2.9, chúng tôi nhận thấy không những giá trị SLPmax mà các giá

trị SLP ứng với kích thước bất kỳ đều tăng tuyến tính theo MS. Điều này dẫn đến hai

tham số tối ưu của hiệu ứng MIH (giá trị kích thước tới hạn Dcp và độ rộng bán vạch

∆Dcp) không thay đổi theo từ độ bão hòa. Đối với các hệ chất lỏng từ có cùng kích

thước, phương pháp nào chế tạo hệ hạt nano từ có từ độ bão hòa cao hơn thì hiệu

ứng MIH có hiệu suất tốt hơn.

2.2.3. Độ nhớt của mẫu chất lỏng

Dựa vào kết quả trình bày ở phần trước (bảng 2.2), chúng tôi nhận thấy các

giá trị Dcp của các chất lỏng từ nhóm A nhỏ hơn giá trị DNB – vùng tổn hao hồi phục

Néel chiếm ưu thế. Ngược lại, kích thước tối ưu của chất lỏng từ nhóm B nằm trong

tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế (Dcp > DNB). Các biểu thức về các thời gian

hồi phục Néel (1.13) và Brown (1.18) cho thấy chúng đều phụ thuộc vào kích thước

hạt nhưng chỉ có thời gian hồi phục Brown chịu sự ảnh hưởng của tham số độ nhớt

của chất lỏng từ. Vậy các tham số tối ưu của hiệu ứng MIH phụ thuộc vào độ nhớt

khác nhau như thế nào đối với hai nhóm hệ chất lỏng từ?

Theo mô hình LRT, giá trị thời gian hồi phục Brown tăng tuyến tính theo độ

nhớt của chất lỏng từ (biểu thức (1.18). Do đó, khi độ nhớt của chất lỏng từ tăng

67

dẫn đến các giá trị DN, DNB và DB cũng thay đổi. Giá trị thời gian hồi phục hiệu

dụng chịu sự ảnh hưởng chính của giá trị nhỏ hơn giữa hai thời gian hồi phục Néel

và Brown. Vì vậy, thời gian hồi phục hiệu dụng ứng với kích thước tới hạn Dcp của

các chất lỏng từ nhóm A không chịu ảnh hưởng của độ nhớt. Bảng 2.5 trình bày các

giá trị DN, DNB, DB và Dcp của hai hệ chất lỏng từ FeCo và Fe3O4. Kết quả tính toán

cho thấy các tham số tối ưu SLPmax, Dcp và ∆Dcp của các hệ chất lỏng từ nhóm A

không chịu ảnh hưởng của độ nhớt.

Bảng 2.5. Các giá trị DN, DNB, DB và Dcp của các chất lỏng từ FeCo và Fe3O4.

Độ nhớt

(mPa⋅s)

FeCo Fe3O4

DN

(nm)

DNB

(nm)

DB

(nm)

Dcp

(nm)

DN

(nm)

DNB

(nm)

DB

(nm)

Dcp

(nm)

1 35,5 39 42 34,5 18 20 22,5 19

2 37 40 43 34,5 18,5 20 23 19

3 37,5 40,5 43,5 34,5 19 20,5 23 19

4 38 41 44 34,5 19,5 21 23,5 19

Đối với hệ chất lỏng từ nhóm B, kích thước tới hạn nằm trong vùng III nên

Bτ τ= . Từ biểu thức thời gian hồi phục Brown (biểu thức (1.18)) và điều kiện để

SLP đạt giá trị cực đại ωτ = 1 [3], chúng tôi tìm thấy biểu thức liên hệ giữa kích

thước tới hạn và độ nhớt chất lỏng từ:

( )33 1 26 6 6

H B BB H cp

B

V k T k TV Dk T f f fη πτ δ

π π η π η= = ⇔ = ⇔ + =

2

32 3

2 2Bcp

k T ADf

δ δπ η η

⇔ = − = − (2.5)

Biểu thức (2.5) cho thấy khi độ nhớt của chất lỏng từ tăng thì giá trị kích

thước tới hạn Dcp giảm nhằm thỏa mãn điều kiện tối ưu hiệu ứng MIH. Bên cạnh

đó, kích thước tới hạn thay đổi dẫn đến sự thay đổi phần ảo của độ cảm từ xoay

chiều (biểu thức (1.22) và (1.23)). Vì vậy, giá trị SLPmax của hệ chất lỏng từ nhóm B

cũng thay đổi theo độ nhớt.

68

Hình 2.12. Sự phụ thuộc SLP vào D ứng với các độ nhớt η khác nhau của các hệ

(a)CoFe2O4 và (b)FePt.

Hình 2.12 thể hiện SLP(D) của hai hệ chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt ứng với

độ nhớt khác nhau trong vùng ứng dụng của y sinh [94]. Các kết quả tính toán

khẳng định các tham số tối ưu SLPmax và Dcp thay đổi theo độ nhớt đối với các hệ

chất lỏng từ nhóm B. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này chính là do tổn hao hồi

phục Brown chiếm ưu thế tuyệt đối khi D > DB (DB = 7,5 nm – bảng 2.2). Nếu hạt

có kích thước nhỏ hơn giá trị DNB thì thời gian hồi phục không chịu ảnh hưởng của

độ nhớt. Điều này giải thích giá trị SLP của các chất lỏng từ có kích thước vùng này

(D < 6 nm – hình 2.12) không chịu ảnh hưởng của độ nhớt. Đó cũng chính là lý do

dẫn đến sự suy giảm độ rộng bán vạch ∆Dcp theo độ nhớt.

Bảng 2.6. Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của hai hệ CoFe2O4 và FePt.

Độ nhớt

(mPa⋅s)

CoFe2O4 FePt

Dcp

(nm)

∆Dcp

(nm)

SLPmax

(W/g)

Dcp

(nm)

∆Dcp

(nm)

SLPmax

(W/g)

1 16,5 17 52,7 14,5 12 91,1

2 15 16,5 28,3 12 11,5 55

3 14,5 16 19,2 11,5 11 38,8

4 14 15,5 14,5 11 10,5 29,9

69

Các kết quả trên bảng 2.6 và hình 2.12 cho thấy các tham số tối ưu đều chịu

sự ảnh hưởng của độ nhớt của chất lỏng từ. Tuy nhiên, giá trị Dcp và ∆Dcp suy giảm

không đáng kể khi độ nhớt tăng. Trong khi đó, giá trị SLPmax giảm đến ∼ 50% ÷ ∼

60% đối với hai hệ chất lỏng từ CoFe2O4 và FePt khi độ nhớt tăng từ 1 mPa⋅s đến 2

mPa⋅s. Điều này cho thấy giá trị SLPmax chịu sự ảnh hưởng rất lớn từ độ nhớt. Một

trong những cách để tăng giá trị SLPmax chính là tổng hợp các hệ chất lỏng từ có từ

độ bão hòa cao vì SLPmax phụ thuộc tuyến tính vào MS. Nhưng, cách này có còn

hiệu quả khi độ nhớt thay đổi?

Chúng tôi tiến hành tính toán các giá trị SLPmax và độ dốc max

S

SLPM

∆∆

của tất cả

hệ chất lỏng từ đề cập ứng với các độ nhớt khác nhau. Do các giá trị SLPmax của các

hệ chất lỏng từ nhóm A không phụ thuộc vào độ nhớt nên độ dốc max

S

SLPM

∆∆

của các

hệ này không thay đổi khi độ nhớt thay đổi. Điều này giải thích kết quả độ dốc

max

S

SLPM

∆∆

của hệ FeCo ở bảng 2.7.

Bảng 2.7. Các giá trị max

S

SLPM

∆∆

và hệ số làm khớp hàm R2

của các hệ FeCo, CoFe2O4 và FePt ứng với các độ nhớt khác nhau.

Độ nhớt

(mPa⋅s)

FeCo CoFe2O4 FePt

max

s

SLPM

∆∆

R2 max

s

SLPM

∆∆

R2 max

s

SLPM

∆∆

R2

1 2,39 1 0,95 0,99879 1,70 0,99975

2 2,39 1 0,53 0,9981 1,10 0,99925

3 2,39 1 0,36 0,99788 0,79 0,99904

4 2,39 1 0,28 0,99767 0,62 0,99882

70

Các giá trị SLPmax của hai hệ hạt CoFe2O4 và FePt được tính toán như hàm

của Ms ứng với các độ nhớt khác nhau – được trình bày ở hình 2.12 và bảng 2.7.

Các kết quả chỉ ra SLPmax phụ thuộc tuyến tính vào MS đồng thời độ dốc của hàm

phụ thuộc chịu sự ảnh hưởng của độ nhớt của chất lỏng từ. Độ dốc max

S

SLPM

∆∆

của các

hệ chất lỏng từ nhóm B giảm khi độ nhớt tăng. Sự tương phản giữa các hệ hạt nano

từ CoFe2O4 và FePt so với hệ hạt nano từ FeCo tiếp tục khẳng định: hiệu ứng MIH

chủ yếu bắt nguồn từ tổn hao hồi phục Brown đối với các hệ chất lỏng từ nhóm B

hoặc từ tổn hao hồi phục Néel đối với hệ chất lỏng từ nhóm A.

Hình 2.13. Sự phụ thuộc SLPmax vào MS ứng với các độ nhớt η khác nhau của các hệ (a)

CoFe2O4 và (b) FePt.

Điều thú vị là kết quả tính toán lý thuyết cho thấy sự ảnh hưởng khác nhau

của η lên SLP của hai nhóm chất lỏng từ có giá trị dị hướng từ thấp và cao hoàn

toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm đối với hai hệ chất lỏng từ CoFe2O4 và Fe3O4

– nhiệt độ bão hòa của hệ hạt nano từ CoFe2O4 phụ thuộc vào độ nhớt trong khi

nhiệt độ bão hòa của hệ hạt nano Fe3O4 không thay đổi như công bố của Lee và các

cộng sự [91]. Đồng thời, nhóm tác giả Fortin và cộng sự tìm thấy SLP của hai hệ

chất lỏng từ γ-Fe2O3 giảm nhẹ từ 135 W/g xuống 100 W/g, trong khi SLP của

CoFe2O4 giảm mạnh từ 420 W/g xuống 90W/g khi độ nhớt tăng từ 0,75 mPa⋅s đến

335 mPa⋅s [22]. SLP có khuynh hướng giảm khi độ nhớt của chất lỏng từ tăng

nhưng theo mức độ hết sức khác nhau tùy thuộc vào lại chất có độ dị hướng từ

71

mạnh hay yếu. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm này khẳng định vai trò độ nhớt

đối với hiệu ứng MIH hoàn toàn khớp với các kết quả tính toán theo mô hình LRT.

2.2.4. Phân bố kích thước hạt

Trong các kết quả tính toán của chúng tôi, giá trị SLP của hệ chất lỏng từ đều

có giá trị rất nhỏ (dưới 10 W/g) khi D < 10 nm (hình 2.2, hình 2.3, hình 2.10 và

hình 2.12). Ngược lại với kết quả lý thuyết, Jeun và cộng sự [94] chế tạo được hệ

chất lỏng từ CoFe2O4 có giá trị SLP cao (400 W/g) khi kích thước hạt 9 nm. Sự

khác biệt này có thể được giải thích với giả thiết là do các hạt CoFe2O4 không phải

là đơn phân tán trong dung môi – dẫn đến sự co cụm của nhiều hạt nano từ riêng lẻ

tạo thành đám hạt liên kết với kích thước lớn hơn, hoặc bản thân các hạt chế tạo

cũng có độ phân bổ kích thước σ đủ rộng nào đó. Việc giá trị SLP của hệ chất lỏng

từ chịu sự ảnh hưởng của phân bố kích thước thước hạt lần đầu tiên đã được

Rosenweig đề cập [19] trong nghiên cứu đối với chất lỏng từ Fe3O4, sau đó là công

trình của Fortin [22, 23] cho hai chất lỏng từ γ-Fe2O3 và CoFe2O4. Các kết quả tính

toán trình bày trong các mục trước đề cập các tham số tối ưu Dcp, ∆Dcp và SLPmax

đối với các chất lỏng từ đơn phân tán (cùng một kích thức hạt). Trong thực tiễn ứng

dụng, các chất lỏng từ đều có độ đa kích thước nhất định. Chúng tôi đã tiến hành

tính toán phân tích hệ thống ảnh hưởng của độ lệch chuẩn đơn phân tán hạt lên các

tham số đặc trưng công suất đốt tối ưn của 6 loại chất lỏng từ đề cập trong luận án.

Để nghiên cứu sâu về hiệu ứng MIH đối với chất lỏng từ đa phân tán; chúng

tôi khảo sát SLP(D) với độ lệch chuẩn (σ) của phân bố kích thước thay đổi từ 0 đến

0,5 đối với tất cả hệ chất lỏng từ (độ nhớt 1 mPa⋅s) ứng với từ trường 65 Oe, 236

kHz. Hàm phân bố kích thước hạt là hàm phân bố log-tự nhiên [19]:

( )

2

ln1 0exp 22 2

DD

g DDπσ σ

= −

(2.6)

trong đó D0 là giá trị trung bình của đường kính

72

Khi đó giá trị công suất tỏa nhiệt của hệ hạt nano lúc này là công suất tỏa

nhiệt trung bình LRTP từ được xác định bởi công thức [19]:

( )

0LRT LRTP P g D dD

∞

= ∫ (2.7)

trong đó, PLRT được xác định bởi phương trình (1.21).

Hình 2.14. Sự phụ thuộc vào D của SLP đối với các hệ (a) FeCo, (b) LSMO, (c) MnFe2O4,

(d) Fe3O4, (e) CoFe2O4 và (f) FePt ứng với các σ khác nhau.

73

Hình 2.14 thể hiện SLP phụ thuộc vào đường kính hạt nano từ với các phân

bố kích thước hạt có độ lệch chuẩn khác nhau. Đối với các chất lỏng từ đơn phân

tán (σ=0), đồ thị SLP(D) cho thấy sự tồn tại giá trị cực đại SLPmax ứng với kích

thước tối ưu Dcp và độ rộng bán vạch ∆Dcp. Chúng tôi nhận thấy sự khác nhau về

giá trị ∆Dcp giữa hai nhóm chất lỏng từ chính là chìa khóa để giải thích sự suy giảm

SLPmax theo σ.

Hình 2.15. Sự phụ thuộc vàoσ của ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với các hệ


Từ kết quả ở mục 2.1.1 của luận án, vùng kích thước mà hệ chất lỏng từ có

giá trị SLP ≥ 50% SLPmax mở rộng theo chiều tăng của dị hướng từ của hệ hạt nano

từ. Khi phân bố kích thước hạt của hệ càng mở rộng (giá trị σ tăng) thì sự đóng góp

của các hạt nano từ có kích thước quanh giá trị Dcp càng nhiều. Sự đóng góp này

không làm thay đổi giá trị Dcp của hệ chất lỏng từ. Hệ quả của sự đóng góp chính là:

giá trị SLPmax của đồ thị với giá trị ∆Dcp càng nhỏ thì suy giảm càng nhanh. Nghĩa

là, SLPmax của các chất lỏng từ nhóm A sẽ suy giảm nhanh hơn các chất lỏng từ

nhóm B. Chính sự suy giảm nhanh của giá trị SLPmax theo độ lệch chuẩn của các

chất lỏng từ dẫn đến giá trị ∆Dcp của chúng sẽ tăng.

Để đánh giá chính xác các nhận định này, chúng tôi tiến hành tính tỷ lệ độ

suy giảm SLPmax bằng cách lập tỷ lệ giữa các SLPmax ứng với các σ khác nhau so

74

với SLPmax khi σ = 0 – ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =(hình 2.15). Các giá trị tỷ lệ ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ =

và ∆Dcp được trình bày ở bảng 2.8 và 2.9.

Bảng 2.8. Giá trị ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =của các hệ chất lỏng từ

Độ lệch chuẩn

( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =

FeCo LSMO MnFe2O4 Fe3O4 CoFe2O4 FePt

0 1 1 1 1 1 1

0,05 0,73 0,74 0,74 0,78 0,99 0,99

0,1 0,51 0,51 0,52 0,59 0,97 0,96

0,15 0,38 0,39 0,40 0,47 0,94 0,92

0,2 0,30 0,31 0,32 0,40 0,90 0,87

0,25 0,25 0,26 0,27 0,34 0,86 0,82

0,3 0,21 0,22 0,23 0,30 0,82 0,77

0,35 0,19 0,19 0,20 0,27 0,77 0,72

0,4 0,17 0,17 0,18 0,25 0,73 0,68

0,45 0,15 0,15 0,16 0,23 0,69 0,63

0,5 0,14 0,14 0,15 0,21 0,65 0,60

Giá trị SLPmax suy giảm rất nhanh theo σ đối với các hệ chất lỏng từ nhóm A.

Khi σ = 0,25 thì SLPmax chỉ bằng 25 ÷ 34 % giá trị SLPmax của hệ đơn phân tán

tương ứng. Trong khi đó, giá trị SLPmax của các hệ chất lỏng từ nhóm B suy giảm

theo σ không nhanh. Khi σ = 0,25 thì SLPmax bằng 82 ÷ 86 % giá trị SLPmax của hệ

đơn phân tán tương ứng. Kết quả cho thấy SLPmax của các chất lỏng từ nhóm A suy

giảm nhanh hơn các chất lỏng từ nhóm B khi phân bố kích thước mở rộng từ 0 (đơn

phân tán) tới 0,25. Tuy nhiên, trong vùng giá trị độ lệch chuẩn từ 0,25 đến 0,5 thì

kết quả hoàn toàn ngược lại. Bảng 2.8 cho thấy giá trị SLPmax của các chất lỏng từ

nhóm A suy giảm chậm hơn các chất lỏng từ nhóm B trong vùng này. Giá trị SLPmax

của các chất lỏng từ nhóm A suy giảm thêm 11 ÷ 12% trong vùng này. Sự suy giảm

giá trị này đối với các chất lỏng từ nhóm B là 21 ÷ 22%. Điều này có thể chính là do

75

sự khác nhau giữa hai cơ chế sinh nhiệt và độ rộng bán vạch của các nhóm chất

lỏng từ. Bảng 2.9 trình bày giá trị Dcp của các hệ chất lỏng từ.

Bảng 2.9. Giá trị ∆Dcp các hệ chất lỏng từ

Độ lệch chuẩn ∆Dcp

FeCo LSMO MnFe2O4 Fe3O4 CoFe2O4 FePt

0 4 4 4 7 17 12

0,05 7 6 5,5 4,5 17 12,5

0,1 10 9,5 8,5 7,5 18 13,5

0,15 14 13 11,5 11 18,5 14

0,2 18 17 15,5 14 19,5 15

0,25 22,5 20,5 19 16,5 21 16,5

0,3 27 25 22,5 20 22,5 17,5

0,35 31,5 29 26,5 23 24 19,5

0,4 35,5 33 30 26 26 21,5

0,45 41 37,5 34 29 28 23

0,5 45,5 42 38 32,5 30 25

Theo mô hình LRT, cơ chế sinh nhiệt của hệ chất lỏng từ chỉ do đóng góp

của quá trình tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown. Tuy nhiên, quá

trình sinh nhiệt từ tổn hao hồi phục Néel phụ thuộc vào kích thước hạt nano từ

mạnh hơn quá trình sinh nhiệt từ tổn hao hồi phục Brown. Trong vùng kích thước

nhỏ (D < DN), SLP giảm nhanh khi kích thước hạt giảm từ kích thước tối ưu tiến về

0 nm. Trong vùng kích thước lớn (D > DB), SLP giảm chậm khi kích thước hạt tăng

từ kích thước tối ưu. Nhận định này hoàn toàn khớp với tất cả kết quả tính toán hàm

SLP (D) cho các hệ chất lỏng từ đơn phân tán.

Đối với các hệ chất lỏng từ nhóm A, giá trị Dcp nằm trong vùng tổn hao hồi

phục Néel chiếm ưu thế. Khi độ lệch chuẩn thay đổi từ 0 (đơn phân tán) đến 0,25 thì

sự đóng góp của các hạt nano từ có kích thước gần Dcp được mở rộng về hai phía.

Trong đó, tỷ lệ đóng góp của các hạt nano từ trong vùng I (vùng tổn hao hồi phục

Néel chiếm ưu thế tuyệt đối) nhiều hơn vùng III (vùng tổn hao hồi phục Brown

chiếm ưu thế tuyệt đối) dẫn đến giá trị SLPmax suy giảm rất nhanh theo σ. Khi độ

lệch chuẩn tiếp tục tăng từ 0,25 đến 0,5 thì tỷ lệ đóng góp của các hạt nano từ trong

76

vùng III tăng dẫn đến sự suy giảm giá trị SLPmax chậm chậm lại. Giá trị Dcp của hệ

chất lỏng từ càng gần giá trị DNB thì hiện tượng này càng thể hiện rõ. Điều này giải

thích độ rộng bán vạch của hệ FeCo tăng nhanh nhất và giá trị tương ứng của hệ

Fe3O4 tăng chậm nhất trong số các chất lỏng từ nhóm A.

Ngược lại, tỷ lệ đóng góp của các hạt nano từ trong vùng III nhiều hơn vùng

I dẫn đến sự suy giảm chậm của SLPmax của các hệ chất lỏng từ nhóm B. Khi độ

lệch chuẩn tăng từ 0,25 đến 0,5 thì tỷ lệ đóng góp của các hạt nano từ trong vùng I

tăng dẫn đến SLPmax của các chất lỏng từ nhóm B suy giảm nhanh hơn nhóm A. Và,

giá trị Dcp của hệ chất lỏng từ càng lớn hơn giá trị DNB thì hiện tượng này càng thể

hiện rõ. Sự phụ thuộc của các tham số tối ưu SLPmax và ∆Dcp vào phân bố kích

thước chịu sự ảnh hưởng của các giá trị liên quan đến vùng kích thước (DN, DNB và

DB) và chính tham số tối ưu kích thước tới hạn Dcp. Vậy, sự cạnh tranh giữa hai cơ

chế tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown đóng vai trò quyết định dẫn

đến hiện tượng này.

Dựa vào một số kết quả được trình bày ở mục 2.2, giá trị Dcp phụ thuộc vào

tần số của hệ đo và độ nhớt của chất lỏng từ. Vậy, hiện tượng trên có xảy ra trong

các tần số khác nhau hoặc môi trường y sinh khác nhau?

Hình 2.16. Sự phụ thuộc vàoσ của ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với các hệ FeCo, LSMO, MnFe2O4,

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với tần số (a) 100 kHz và (b) 1 MHz.

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu tỷ lệ ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ = ứng với tần số 100 kHz

÷ 1 MHz trong vùng độ nhớt y sinh 1 ÷ 5 mPa⋅s. Hình 2.16 thể hiện tỷ lệ

77

( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =ở tần số (a) 100 kHz và (b) 1 MHz. Hình 2.17 thể hiện tỷ lệ này ở tần

số 236 kHz trong môi trường có độ nhớt (a) 1mPa•s và (b) 5 mPa•s.

Hình 2.17. Sự phụ thuộc vào σ của ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với các hệ FeCo, LSMO, MnFe2O4,

Fe3O4, CoFe2O4 và FePt ứng với độ nhớt (a) 1mPa•s và (b) 5mPa•s.

Kết quả tính toán (các hình 2.15, hình 2.16 và hình 2.17) cho thấy: sự cạnh

tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục dẫn đến các biểu hiện khác nhau của hai

nhóm chất lỏng từ đối với hiệu ứng MIH. Sự phụ thuộc của các tham số tối ưu

SLPmax và ∆Dcp theo phân bố kích thước góp phần giải quyết vấn đề tối ưu hóa hiệu

ứng MIH trong thực nghiệm ứng dụng y sinh.

2.3. Vai trò của tham số dị hướng từ trong sự cạnh tranh đóng góp giữa tổn

hao hồi phục Néel và Brown.

Tất cả các kết quả đã trình bày và phân tích ở mục 2.2 đều chỉ ra rằng hai

nhóm chất lỏng từ (nhóm A và nhóm B) thể hiện hai loại đặc trưng khác nhau về

tham số tối ưu của hiệu ứng MIH của chúng. Đối với nhóm B, giá trị SLPmax suy

giảm chậm theo phân bố kích thước hạt và phụ thuộc (giảm) mạnh theo độ nhớt của

chất lỏng từ. Ngược lại, giá trị SLPmax suy giảm nhanh theo phân bố kích thước hạt

và không phụ thuộc độ nhớt của chất lỏng từ đối với nhóm A.

78

Bảng 2.10. Các giá trị ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ =và SLPmax của

các hệ chất lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4.

Độ lệch chuẩn

( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ = Độ nhớt

(mPa⋅s)

SLPmax

(W/g)

MnFe2O4 (A) CoFe2O4 (B) MnFe2O4 (A) CoFe2O4 (B)

0 1 1 1 257,4 52,7

0,05 0,74 0,99

0,1 0,52 0,97 2 257,4 28,3

0,15 0,40 0,94

0,2 0,32 0,90 3 257,4 19,2

0,25 0,27 0,86

0,3 0,23 0,82 4 257,4 14,5

0,35 0,20 0,77

0,4 0,18 0,73

5 257,4 11,6 0,45 0,16 0,69

0,5 0,15 0,65

Bảng 2.10 thể hiện sự khác nhau giữa hai hệ chất lỏng từ MnFe2O4 (đại diện

nhóm A) và CoFe2O4 (đại diện nhóm B) về sự suy giảm của SLPmax theo độ lệch

chuẩn và SLPmax phụ thuộc độ nhớt. Hai hệ chất lỏng từ này có các tính chất từ

tương đối giống nhau (đều là ferit spinel) và chỉ khác biệt giá trị dị hướng từ ( 3

kJ/m3 đối với hệ MnFe2O4 và 180 kJ/m3 đối với CoFe2O4). Nguyên nhân dẫn đến

hiện tượng này chính là do sự cạnh tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và

Brown, tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế đối với các hệ chất lỏng nhóm A và tổn

hao hồi phục Brown chiếm ưu thế ở các chất lỏng từ nhóm B. Dưới góc nhìn về giá

trị dị hướng từ cho các hệ chất lỏng từ, chúng tôi nhận thấy vai trò quan trọng của

chúng đối với sự cạnh tranh này. Vì vậy, chúng tôi sẽ phân tích chi tiết hơn vai trò

của dị hướng từ trong sự cạnh tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục trong phần

tiếp theo của luận án.

Các hình 2.15, 2.16 và 2.17 đều cho thấy sự khác biệt giữa hai nhóm chất

lỏng từ về sự suy giảm SLPmax theo độ nhớt. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy có sự

79

dịch nhất định của đồ thị của Fe3O4 về phía K thấp hơn khi độ nhớt hoặc tần số tăng

từ hình 2.16 (b) và 2.17 (b). Vậy, chiều dịch chuyển ngược lại có thể xảy ra không?

Và, nếu điều đó xảy ra thì có tồn tại giá trị KC - mà: (a) với vùng K < KC thì tổn hao

hồi phục Néel chiếm ưu thế; (b) vùng K ≥ KC thì tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu

thế. Giá trị KC (nếu có) chính là vùng “chuyển pha” giữa hai nhóm chất lỏng từ từ K

cao (nhóm B) sang K thấp (nhóm A).

Đối với vật liệu khối Fe3O4, các giá trị dị hướng từ công bố cho hệ này trải

trong vùng từ 9 đến 41 kJ/m3 [19, 20] (bảng 2.1). Hơn thế, các giá trị dị hướng từ

hiệu dụng công bố cho các hệ hạt nano từ của chất này nằm trong một dải rất rộng,

với các trị ngưỡng trên lớn hơn ngưỡng dưới cả 100 lần, cụ thể là từ khoảng 5-500

kJ/m3 (bảng 1.4). Lý do chính của việc trải rộng giá trị K là phần đóng góp của dị

hướng hình dạng và dị hướng bề mặt đối với hệ hạt nano từ mịn [91]. Do đó, việc

tính toán lý thuyết để khảo sát sự tồn tại giá trị KC có vai trò như “thực nghiệm số”

góp phần đánh vai trò dị hướng từ K đối với sự cạnh tranh đóng góp giữa hai cơ chế

tổn hao hồi phục Néel và Brown.

Hình 2.18. Đồ thị SLP(D) của hệ chất lỏng từ Fe3O4 với các giá trị K khác nhau.

Trước hết, chúng tôi tiến hành tính toán SLP(D) và tỷ lệ ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ = cho hệ

chất lỏng từ Fe3O4 với giả thiết K thay đổi từ 5 đến 500 kJ/m3. Hình 2.18 thể hiện

kết quả tính toán SLP(D) ứng với các giá trị K khác nhau ở từ trường 65 Oe, 236

kHz và độ nhớt 1 mPa•s. Khi giá trị dị hướng từ tăng thì đồ thị SLP (D) chuyển từ

80

dạng “hình nhọn” sang “chuông”. Xét về hình dạng đồ thị: đỉnh cực trị của đồ thị

thay đổi ứng với giá trị 34 kJ/m3. Đồng thời, các tham số tối ưu của hệ chất lỏng từ

này cũng thay đổi theo giá trị K. Các giá trị tham số của hệ chất lỏng từ này với giá

trị K thay đổi được trình bày trên bảng 2.11.

Bảng 2.11. Các giá trị Dcp, ∆Dcp và SLPmax của hệ chất lỏng từ Fe3O4.

Dị hướng từ

(kJ/m3)

Dcp

(nm)

∆Dcp

(nm)

SLPmax

(W/g)

5 23 3 169,9

10 18,5 3 130,5

15 16,5 4 99,9

20 15 8,5 82,4

25 14 11,5 69,5

30 13,5 13,5 60

34 13 15 54,9

35 16 15 54,9

40 16 15,5 54,9

45 16 16 54,9

50 16 16 54,9

Giá trị Dcp của hệ chất lỏng từ Fe3O4 giảm từ 23 nm đến 13 nm khi giá trị K

tăng từ 5 đến 34 kJ/m3. Khi giá trị K tăng trong vùng 5 ÷ 34 kJ/m3, giá trị Dcp thay

đổi nhưng vẫn nằm trong vùng cạnh tranh giữa 2 quá trình tổn hao hồi phục (vùng

II). Điều đó có nghĩa tổn hao hồi phục Néel vẫn ảnh hưởng đến tham số tối ưu của

Dcp. Trong khi đó, thời gian hồi phục Néel chịu sự ảnh hưởng của giá trị dị hướng

từ K theo biểu thức (1.13). Và, khi dị hướng từ của hệ Fe3O4 ≥ 35 kJ/m3 thì giá trị

Dcp nằm trong tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế (vùng III). Khi đó, hai tham số

tối ưu Dcp và SLPmax không thay đổi theo giá trị dị hướng từ. Sự dịch chuyển đột

ngột giá trị Dcp từ 13 nm sang 16 nm khi K tăng từ 34 kJ/m3 sang 35 kJ/m3 chính là

cơ sở để xác định giá trị KC đối với hệ chất lỏng từ Fe3O4 (độ nhớt 1mPa•s) ở tần số

236 kHz.

81

Hình 2.19. Sự phụ thuộc vào K của hai tham số Dcp và ∆Dcp của hệ chất lỏng từ Fe3O4 với

các giá trị K khác nhau

Đối với tham số ∆Dcp, quá trình thay đổi độ rộng đỉnh công suất SLP không

xảy ra theo cách ‘nhảy cóc’ tại giá trị K = 35 kJ/ m3, mà có sự chuyển dịch tăng dần

từ giá trị K = 15 kJ/ m3 bắt đầu bão hòa tại giá trị Dcp có bước tăng nhảy vọt.

Để kiểm chứng giá trị KC của hệ chất lỏng từ Fe3O4 ở tần số 236 kHz và độ

nhớt 1 mPa⋅s, chúng tôi khảo sát tỷ lệ ( )( )

max

max 0SLP

SLPσ

σ = của hệ chất lỏng từ Fe3O4 ứng

với các giá trị K khác nhau (hình 2.20). Kết quả cho thấy giá trị SLPmax suy giảm

theo phân bố kích thước hạt đối với các hệ chất lỏng từ Fe3O4 có giá trị dị hướng từ

K ≥ 35 kJ/m3 giống với các hệ chất lỏng từ nhóm B (đã trình bày ở phần 2.2.4).

Điều này khẳng định tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế khi K ≥ 35 kJ/m3,.

Ngược lại, khi K < 35 kJ/m3 thì tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế đối với các hệ

chất lỏng từ Fe3O4. Vậy, giá trị KC = 35 kJ/m3 là giá trị dị hướng từ thể hiện sự

chuyển pha sự đóng góp giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục.

82

Hình 2.20. Sự phụ thuộc vào σ của ( )

( )max

max 0SLP

SLPσ

σ = đối với hệ chất lỏng từ Fe3O4.

Bên cạnh đó, giá trị tham số tối ưu Dcp phụ thuộc vào tần số của hệ đo và độ

nhớt của chất lỏng từ (đã được trình bày ở mục 2.2.1 và 2.2.3 của luận án). Một câu

hỏi được đặt ra là giá trị KC có phụ thuộc vào độ nhớt hay tần số không? Tiếp theo,

chúng tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi của các tham số tối ưu Dcp và ∆Dcp theo K

trong khoảng tần số 100 kHz ÷ 1 MHz, độ nhớt 1 ÷ 5 mPa⋅s. Kết quả này được trình

bày ở bảng 2.12 và bảng 2.13. Hình 2.21 thể hiện sự phụ thuộc của giá trị Dcp vào dị

hướng từ K.

Hình 2.21. Đồ thị Dcp (K) ứng với (a) các tần số khác nhau

hoặc (b) các độ nhớt khác nhau.

Từ bảng 2.12 và hình 2.21 (a), chúng tôi nhận thấy giá trị Dcp vẫn thay đổi

đột ngột tại một giá trị KC nhất định. Ứng với tần số 250 kHz, sự chuyển dịch đóng

góp chính của tổn hao hồi phục Néel sang tổn hao hồi phục Brown tại KC = 50

83

kJ/m3. Các giá trị KC tại các tần số 500 kHz, 750 kHz và 1000 kHz lần lượt là 59

kJ/m3, 100 kJ/m3 and 102 kJ/m3. Kết quả khẳng định sự tồn tại của KC và giá trị này

phụ thuộc vào tần số của từ trường ngoài.

Bảng 2.12. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp

thay đổi theo giá trị K ứng với các tần số khác nhau.

K

(kJ/m3)

Dcp (nm) ΔDcp (nm)

100 kHz 250 kHz 500 kHz 750 kHz 1000 kHz 100 kHz 250 kHz 500 kHz 750 kHz 1000 kHz

10 19,5 18,5 18 17,5 17 7,5 3 3 2,5 2,5

18 17 15,5 14,5 14,5 14 14 6 2,5 2,5 2,5

20 18,5 15 14 14 13,5 14,5 8 2,5 2,5 2

21 18,5 14,5 14 13,5 13,5 15 8,5 3 2,5 2,5

30 18,5 13,5 12,5 12 12 16 13 6,5 2,5 2,5

34 18,5 13 12 11,5 11,5 16 14,5 8,5 3 2

35 18,5 13 12 11,5 11,5 16,5 15 9,5 2,5 2,5

49 18,5 13 11,5 11 11 16,5 15,5 14 10 7

50 18,5 16 11 10,5 10 16,5 16 14,5 10,5 7,5

51 18,5 16 10,5 10 10 16,5 16,5 16,5 12,5 10,5

58 18,5 16 10,5 10 9,5 16,5 16,5 16,5 13 11

59 18,5 16 15 10 9,5 16,5 16,5 16,5 13 11

70 18,5 16 15 9,5 9 16,5 17 17,5 15,5 13,5

80 18,5 16 15 9 9 16,5 17 17,5 17 15,5

81 18,5 16 15 9 9 16,5 17 17,5 17,5 15,5

82 18,5 16 15 9 9 16,5 17 17,5 17,5 16

99 18,5 16 15 9 8,5 16,5 17 18 18 17,5

100 18,5 16 15 14,5 8,5 16,5 17 18 18 18,5

101 18,5 16 15 14,5 8,5 16,5 17 18 18 18,5

102 18,5 16 15 14,5 14 16,5 17 18 18 18,5

110 18,5 16 15 14,5 14 16,5 17 18 18 18,5

120 18,5 16 15 14,5 14 16,5 17 18 18,5 18,5

150 18,5 16 15 14,5 14 16,5 17 18 18,5 19

180 18,5 16 15 14,5 14 16,5 17 18 18,5 19

Tương tự, giá trị KC thay đổi theo độ nhớt cũng được tìm thấy trong kết quả

tính toán ở tần số 100 kHz, độ nhớt 1 – 5 mPa⋅s (bảng 2.13 và hình 2.21 (b)). Giá trị

KC tại tần số 100 kHz tăng từ 20 kJ/m3 đến 33 kJ/m3 khi độ nhớt tăng từ 1 mPa⋅s

84

đến 2 mPa⋅s. Kết quả cho thấy giá trị dị hướng từ KC có ý nghĩa quan trọng trong

việc phân biệt sự đóng góp của 2 quá trình tổn hao Néel và Brown – góp phần định

hướng tối ưu hóa hiệu ứng MIH. Và, giá trị dị hướng từ KC phụ thuộc vào tần số và

độ nhớt của chất lỏng từ.

Bảng 2.13. Bảng giá trị Dcp và ΔDcp

thay đổi theo giá trị K ứng với các độ nhớt η khác nhau (100 kHz).

K

(kJ/m3)

Dcp (nm) ΔDcp (nm)

1 mPa⋅s 2 mPa⋅s 3 mPa⋅s 4 mPa⋅s 5 mPa⋅s 1 mPa⋅s 2 mPa⋅s 3 mPa⋅s 4 mPa⋅s 5 mPa⋅s

3 28,5 28,5 28,5 28,5 28,5 3,5 3,5 3 3 3

10 19,5 19 19 19 19 7,5 3 2,5 2,5 2,5

18 17 16 16 16 15,5 14 7,5 3 2,5 2

20 18,5 15,5 15,5 15,5 15 14,5 8,5 3,5 2,5 2

21 18,5 15,5 15 15 15 15 9,5 4 2 2

30 18,5 14 13,5 13,5 13,5 16 14 9,5 6 2,5

32 18,5 13,5 13,5 13 13 16 15 11 7,5 2,5

33 18,5 16,5 13 13 13 16 15 11 7,5 2,5

45 18,5 16,5 12 12 12 16,5 16 15 12,5 10,5

46 18,5 16,5 12 12 11,5 16,5 16 16 13 11

47 18,5 16,5 15,5 11,5 11,5 16,5 16 16 13,5 11

58 18,5 16,5 15,5 11 11 16,5 16,5 16,5 15,5 13,5

59 18,5 16,5 15,5 11 11 16,5 16,5 16,5 16 14

60 18,5 16,5 15,5 15 11 16,5 16,5 16,5 16 14,5

71 18,5 16,5 15,5 15 10,5 16,5 16,5 17 16,5 17

72 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 16,5 17 16,5 17

73 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 16,5 17 16,5 17

90 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 17 17,5 17 17,5

120 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 17 17,5 17,5 18

150 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 17 17,5 17,5 18

180 18,5 16,5 15,5 15 15 16,5 17 17,5 17,5 18

Các kết quả tính toán để đánh giá giá trị KC theo tần số của từ trường hoặc độ

nhớt của chất lỏng từ được trình bày trên bảng 2.13. Kết quả cho thấy: sự dịch

chuyển từ vùng đóng góp chính bởi tổn hao hồi phục Néel sang vùng do tổn hao hồi

phục Brown thống lĩnh có thể xuất hiện đối với chất lỏng từ bất kỳ tùy vào cách lựa

85

chọn của bộ tham số f và η thích hợp đối với tham số K của hạt nano từ cho trước.

Thí dụ, đối với hệ chất lỏng từ Fe3O4 với giá trị dị hướng từ K = 40 kJ/m3 thì tổn

hao hồi phục Néel chiếm ưu thế khi tần số 250 kHz, độ nhớt 1 ÷ 5 mPa•s. Tuy

nhiên, tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế đối với hệ chất lỏng từ này khi η ≥ 4

và f ≥ 100 kHz. Điều đó khẳng định vai trò quyết định của dị hướng từ đối với sự

cạnh tranh giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và Brown.

Bảng 2.14. Các giá trị KC ứng với các độ nhớt khác nhau

hoặc các tần số khác nhau.

f (kHz) KC (kJ/m3)

η = 1 mPa⋅s η = 2 mPa⋅s η = 3 mPa⋅s η = 4 mPa⋅s η = 5 mPa⋅s

10 2 6 9 11 14

100 20 33 47 60 72

250 50 63 85 119 143

500 59 112 163 >180 >180

750 100 153 >180 >180 >180

1000 102 >180 >180 >180 >180

Hình 2.22. Đồ thị KC (a) theo f với hàm fit: ( ) ( )( )1 01 1 B f f

CK f A e− × −= − , R2=0.94121

hoặc (b) theo η với hàm fit ( ) 2 2CK A Bη η= + × , R2=0.99915.

Chúng tôi tiến hành làm khớp hàm ( ) ( )( )1 01 1 B f f

CK f A e− × −= − (hình 2.22

(a)) hoặc ( ) 2 2CK A Bη η= + × (hình 2.22 (b)). Trong đó, các giá trị f0, A1, A2, B1 and

86

B2 là các tham số làm khớp. Các kết quả này góp phần định hướng các nghiên cứu

thực nghiệm phân biệt sự đóng góp của 2 cơ chế tổn hao trong hiệu ứng MIH.

Mô hình LRT được xây dựng từ hai cơ chế sinh nhiệt là tổn hao hồi phục

Néel và tổn hao hồi phục Brown và dựa vào giả thiết các mô men từ đáp ứng tuyến

tính với từ trường xoay chiều. Do đó, các kết quả tính toán phù hợp trong điều kiện

áp dụng của lý thuyết này: tham số ξ nhỏ hơn 1 – các hạt nano từ ở trạng thái siêu

thuận từ hoặc ở vùng từ trường thấp H < HC. Vì vậy, kết luận giá trị KC phụ thuộc

vào tần số và độ nhớt của chất lỏng từ là phù hợp khi điều kiện của mô hình LRT

được đảm bảo.

2.4. Một số định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm

Đến nay, hiệu ứng MIH đã và đang được giới khoa học đặc biệt quan tâm

nghiên cứu vì tiềm năng ứng dụng của hiệu ứng này trong nhiều linh vực nhất là

trong y sinh. Trong thực tiễn ứng dụng y sinh, các chất lỏng từ thường được tổng

hợp với kích thước hạt lõi nằm trong khoảng 10 ÷ 50 nm [6] và hiệu ứng MIH được

nghiên cứu trong vùng từ trường thấp do giới hạn an toàn đối với cơ thể người [74].

Do đó, mô hình LRT hoàn toàn phù hợp để giải thích cơ chế sinh nhiệt của hiệu ứng

MIH giúp giải quyết vấn đề tối ưu hóa hiệu ứng MIH trong các ứng dụng y sinh.

Các kết quả tính toán theo mô hình LRT có vai trò “thực nghiệm số” góp

phần làm sáng tỏ sự ảnh hưởng của các tham số vật lý đến các tham số tối ưu của

hiệu ứng MIH. Kết quả nghiên cứu khẳng định sự cạnh tranh đóng góp giữa hai cơ

chế tổn hao hồi phục Néel và Brown chính là nguyên nhân dẫn đến sự tồn tại hai

loại đặc trưng của các tham số tối ưu đối với các nhóm chất lỏng từ. Sự phân chia

nhóm chất lỏng từ dựa vào giá trị dị hướng từ KC của bản thân hạt nano và giá trị

này thay đổi theo tần số và độ nhớt.

Đối với các chất lỏng từ có giá trị dị hướng từ K < KC – nhóm A: tham số

SLPmax suy giảm nhanh theo phân bố kích thước hạt và không phụ thuộc vào độ

nhớt của chất lỏng từ, độ rộng bán vạch ∆Dcp nhỏ - cơ chế sinh nhiệt chính của hiệu

ứng MIH là do quá trình tổn hao hồi phục Néel. Đối với các chất lỏng từ có giá trị

dị hướng từ K ≥ KC – nhóm B: tham số SLPmax suy giảm chậm theo phân bố kích

87

thước hạt và phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng từ, độ rộng bán vạch ∆Dcp lớn -

cơ chế sinh nhiệt chính là của hiệu ứng MIH là do quá trình tổn hao hồi phục

Brown.

Từ các kết quả trên, chúng tôi rút ra một số định hướng trong nghiên cứu

thực nghiệm ứng dụng của hiệu ứng MIH. Định hướng đầu tiên liên quan đến tổng

hợp các chất lỏng từ ứng dụng trong y sinh. Tùy vào vùng tần số của từ trường kích

hoạt và vùng độ nhớt trong ứng dụng cụ thể, giá trị KC được xác định dựa vào bảng

2.14 và hình 2.22 Yêu cầu tổng hợp các chất lỏng từ nhóm A: kích thước các hạt lõi

sai số không quá 2 nm đối với kích thước tối ưu và độ lệch chuẩn của phân bố kích

thước hạt nhỏ hơn 0,25 để thu được hiệu ứng MIH tối đa. Đối với các chất lỏng từ

nhóm B: kích thước các hạt lõi với sai số có thể lên đến 5 nm so với kích thước tối

ưu và phân bố kích thước hạt có thể rộng với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 0,4. Vậy, các

kết quả tính toán này giúp lựa chọn phương pháp chế tạo cho phù hợp đối với từng

chất lỏng từ để đảm bảo hiệu ứng MIH.

Trong khi tổn hao hồi phục Néel liên quan đến quá trình lật đảo của mô men

từ thì tổn hao hồi phục Brown được sinh ra do quá trình quay các hạt trong dung

dịch chất lỏng từ. Do đó, việc đánh giá cơ chế sinh nhiệt chính của hệ chất lỏng từ

có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu năng của hiệu ứng MIH. Kết quả lý

thuyết cho thấy một “công cụ” để phân tích sự cạnh tranh đóng góp giữa hai cơ chế

tổn hao hồi phục. Đó là sự phụ thuộc khác nhau của SLP vào độ nhớt đối với hai

nhóm chất lỏng từ (nhóm A và nhóm B). Nếu SLP của hệ phụ thuộc độ nhớt thì cơ

chế sinh nhiệt chính là quá trình tổn hao hồi phục Brown. Ngược lại, cơ chế sinh

nhiệt chính là quá trình tổn hao hồi phục Néel đối với các hệ chất lỏng từ có giá trị

SLP không phụ thuộc độ nhớt. Định hướng nghiên cứu thực nghiệm này không

những góp phần giải thích cơ chế sinh nhiệt để tối ưu hóa hiệu ứng MIH mà còn là

một thực nghiệm kiểm chứng cho mô hình LRT.

Cơ chế sinh nhiệt từ quá trình tổn hao hồi phục Néel hay tổn hao hồi phục

Brown đều có những ưu thế nhất định trong ứng dụng y sinh. Mô hình LRT khẳng

định sự tồn tại vùng “chuyển pha” hai quá trình tổn hao hồi phục – giá trị KC và giá

trị này phụ thuộc vào tần số và độ nhớt. Vậy, tùy thuộc vào giá trị dị hướng từ K

của hệ chất lỏng từ: chúng ta có thể “chuyển pha” cơ chế sinh nhiệt từ tổn hao hồi

88

phục Néel sang tổn hao hồi phục Brown hoặc ngược lại bằng cách thay đổi tần số.

Thí dụ, một chất lỏng từ có giá trị dị hướng từ 50 kJ/m3 có cơ chế sinh nhiệt chính

từ tổn hao hồi phục Brown tại vùng tần số f ≤ 200 kHz. Tuy nhiên, cơ chế sinh nhiệt

chính của chất lỏng từ này sẽ là quá trình tổn hao hồi phục Néel khi tần số f ≤ 400

kHz (hình 2.22 (a)). Sự “chuyển pha” này nhằm tận dụng ưu thế của quá trình tổn

hao hồi phục Néel hay tổn hao hồi phục Brown trong ứng dụng y sinh.

Với tần số kích hoạt 200 kHz, giá trị SLPmax của hệ chất lỏng từ (K = 50

kJ/m3) sẽ phụ thuộc vào độ nhớt do tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế. Tuy

nhiên, giá trị SLPmax của hệ này sẽ không phụ thuộc độ nhớt ở tần số 400 kHz.

Nguyên nhân chính là do tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế ở tần số này (hình

2.22(a)). Kết quả sự “chuyển pha” đóng góp giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục chính

là thực nghiệm kiểm chứng cho mô hình LRT. Điều này cho thấy kết quả “thực

nghiệm số” vừa góp phần giải thích cơ chế sinh nhiệt của hiệu ứng MIH vừa định

hướng các nghiên cứu thực nghiệm trong ứng dụng y sinh lẫn kiểm chứng lý thuyết.

89

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Theo mô hình LRT, công suất đốt nóng cảm ứng từ cần đặc trưng bởi một bộ

các tham số tối: công suất cực đại SLPmax, kích thước hạt tối ưu Dcp và độ rộng phân

bố kích thước tối ưu ∆Dcp. Các tham số tối ưu của hiệu ứng MIH này chịu sự ảnh

hưởng của nhiều các tham số vật lý, như: từ trường đo, từ độ bão hòa, phân bố kích

thước hạt, độ nhớt của chất lỏng từ và đặc biệt là tham số dị hướng của hạt nano từ..

Đối với ảnh hưởng của từ trường đo thì giá trị SLPmax tăng theo hàm mũ H0α

(α =1÷2) và f β (β =0÷2), các giá trị α và β tùy thuộc vào tương quan kích thước hạt

với tần số đo. Giá trị α = 2 thu được cho trường hợp hạt siêu mịn, còn β = 1 khi tần

số f ứng với “tần số cộng hưởng” 0 1ω τ = , giúp SLP đạt giá trị cực đại tại kích thước

tối ưu Dcp. Độ rộng bán vạch ∆Dcp hầu như không thay theo từ trường đo.

Về mặt cơ chế tổn hao, SLP phụ thuộc vào D chia thành 3 vùng: vùng I tổn

hao Néel chiếm ưu thế tuyệt đối, vùng III tổn hao Brown chiếm ưu thế tuyệt đối và

vùng II với đóng góp đồng thời của hai quá trình tổn hao hồi phục này.

Kết quả sự phụ thuộc các tham số tối ưu vào các tham số của chất lỏng từ

dẫn đến việc phân loại vật liệu đốt nóng thành hai nhóm tùy vào giá trị tham số dị

hướng từ K của hạt nano từ: nhóm A có giá trị K < KC do tổn hao Neel chiếm ưu

thế, và nhóm B có giá trị K ≥ KC do tổn hao Brown chiếm ưu thế.Giá trị KC biên

giới giữa hai vùng đặc trưng này không phải hằng số mà tang theo các tham số môi

trường đo là tần số từ trường và độ nhớt chất lỏng chứa hạt từ.

Biểu hiện đặc trưng cho các chất nhóm B là đồ thị SLP(D) có dạngdạng hình

“chuông”, giá trị ∆Dcp lớn, giá trị SLPmax suy giảm chậm theo phân bố kích thước

hạt và phụ thuộc độ nhớt.. Ngược lại, đồ thị SLP(D) của nhóm A có dạng hình

“nhọn”, giá trị ∆Dcp nhỏ hay giá trị SLPmax suy giảm nhanh theo phân bố kích thước

hạt và không phụ thuộc độ nhớt. Các kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của

dị hướng từ đến việc tối ưu hóa công suất đốt nóng cảm ứng từ của hệ chất lỏng từ.

90

CHƯƠNG 3

THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Các kết quả tính toán theo mô hình LRT đã trình bày ở chương 2 cho thấy một

vài khía cạnh ảnh hưởng của các tham số vật lý lên hiệu ứng MIH đã được làm sáng

tỏ thêm, đặc biệt là sự cạnh tranh của tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục

Brown lên công suất tổn hao. Tuy nhiên, cho đến nay việc nghiên cứu thực nghiệm

về sự cạnh tranh của hai cơ chế tổn hao hồi phục tuy đã có vài công trình đề cập

nhưng theo chúng tôi cần phải có nhiều kết quả thực nghiệm hơn để minh chứng

cho các nghiên cứu lý thuyết. Bên cạnh đó do sự cạnh tranh phức tạp của hai cơ chế

nên nhiều kết quả thực nghiệm về công suất đốt nóng cảm ứng từ không thống nhất

với nhau và đôi khi còn khác nhiều với kết quả tính toán theo mô hình LRT. Jeun và

cộng sự [94] chế tạo hệ chất lỏng từ CoFe2O4 có giá trị SLP cao (400 W/g) khi kích

thước hạt 9 nm trong khi kết quả SLP (theo mô hình LRT) của hệ này nhỏ hơn 10

W/g [19]. Ngoài ra, sự phụ thuộc công suất tổn hao riêng SLP hay SAR (thực

nghiệm) vào cường độ từ trường H theo hàm tuyến tính, hàm bậc hai hay dạng hàm

khác đang là vấn đề còn tranh cãi [19-21, 125-132]. Vì vậy, khảo sát thực nghiệm

đốt nóng cảm ứng từ kết hợp so sánh kết quả tính toán lý thuyết đã và đang trở

thành một hướng nghiên cứu quan trọng nhằm tối ưu hóa quá trình thực nghiệm để

tạo ra các chất lỏng từ đạt hiệu suất cao nhất [95, 103, 108]. Trong chương này của

luận án, chúng tôi tiến hành thực nghiệm công suất đốt nóng cảm ứng từ của hai hệ

chất lỏng hạt nano ferrit CoFe2O4 và MnFe2O4 nhằm minh họa và chứng minh tính

đúng đắn các tính toán lý thuyết đã trình bày ở chương 2. Sở dĩ hai hệ hạt nano từ

này được chọn vì chúng có các tính chất từ tương đối giống nhau và chỉ khác nhau

về các giá trị dị hướng từ. Trong điều kiện của phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học

vật liệu, đã tiến hành các thực nghiệm kiểm chứng sự phụ thuộc vào từ trường kích

hoạt, kích thước hạt của hiệu ứng MIH và phân tích sự đóng góp của tổn hao hồi

phục Néel và tổn hao hồi phục Brown bằng cách khảo sát sự phụ thuộc công suất

tổn hao riêng vào độ nhớt đối với hai hệ chất lỏng hạt nano ferrit CoFe2O4 và

MnFe2O4.

91

3.1. Chế tạo các chất lỏng từ CoFe2O4 và MnFe2O4

3.1.1. Hóa chất và thiết bị

Tổng hợp các hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4 bằng phương pháp thủy

nhiệt được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện

Khoa học vật liệu. Các hóa chất được sử dụng bao gồm CoCl2.6H2O (99,99%),

MnCl2.4H2O (99,99%), FeCl3.6H2O (99,99%), NaOH rắn (99,99%) của Merck

(Đức); HCl và axeton là hóa chất công nghiệp củaTrung Quốc với độ tinh khiết là

98,9%.

Thiết bị dùng để tổng hợp các hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4 là bình thủy

nhiệt. Hình 3.1 mô tả cấu tạo đơn giản của một bình thủy nhiệt thường dùng để nuôi

đơn tinh thể [135].

Hình 3.1. Cấu tạo đơn giản của một bình thủy nhiệt [135].

3.1.2. Quy trình chế tạo hệ hạt nano từ

Quy trình tổng hợp hai hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4 được tiến hành

bằng cách pha các muối FeCl3, CoCl2 và MnCl2 trong dung dịch axít HCl. Sau đó,

lấy 2 ml dung dịch (MnCl2 hoặc CoCl2) khuấy trộn đều với 4 ml FeCl3 cùng nồng

độ, tiếp theo nhỏ hỗn hợp các dung dịch muối trên vào 60 ml NaOH, hỗn hợp dung

dịch có pH ≈ 11. Toàn bộ dung dịch chuyển vào bình thủy nhiệt có dung tích 80 ml,

tiến hành ủ nhiệt ở nhiệt độ 100 0C (hoặc 120 0C; 140 0C; 160 0C; 180 0C) với thời

gian 12 giờ. Sau đó, bình thủy nhiệt được để nguội một cách tự nhiên đến nhiệt độ

phòng, sản phẩm được tách khỏi dung dịch và rửa sạch bằng nước cất (pH ≈ 11).

Tiếp theo, dung dịch được rửa bằng axeton. Cuối cùng, sản phẩm được sấy khô ở

92

nhiệt độ 80 0C trong thời gian 5 giờ. Sơ đồ tổng hợp các mẫu nghiên cứu được thể

hiện hình 3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ tổng hợp hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4.

Các mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 với thời gian gia nhiệt khác nhau được sử

dụng trong luận án trình bày trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các mẫu nghiên cứu.

TT Hệ mẫu Điều kiện thủy nhiệt

Ký hiệu mẫu Nhiệt độ Thời gian

1 CoFe2O4 1000C

12 giờ

CFT100

2 CoFe2O4 1200C CFT120




6 MnFe2O4 1000C MFT100




10 MnFe2O4 1800C MFT180

3.1.3. Chế tạo chất lỏng từ

Việc chế tạo các chất lỏng từ CoFe2O4 và MnFe2O4 được tiến hành theo quy

trình như sau: các hệ hạt nano từ được lấy ra khỏi bình thủy nhiệt - sản phẩm còn

93

nằm trong dung dịch NaOH. Sau đó các hệ hạt nano từ được rửa nhiều lần bằng

dung dịch nước cất. Các hệ hạt nano từ được phân tán vào dung môi bằng cách rung

siêu âm (2 giờ) thành các chất lỏng từ.

3.2. Đặc trưng cấu trúc tinh thể và tính chất từ

3.2.1. Cấu trúc tinh thể

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) cho mẫu bột được sử dụng rộng rãi để

xác định pha tinh thể, cấu trúc, kích thước tinh thể, hằng số mạng, phân bố của kích

thước và ứng suất của các hệ hạt nano. Các phép đo XRD sử dụng trong luận án

được thực hiện trên hệ nhiễu xạ D5000-SIEMENS (hình 3.3) tại nhiệt độ phòng với

bức xạ CuKα λ = 0,154 nm) tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.

Hình 3.4 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của các hệ mẫu CoFe2O4 và

MnFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ứng với các nhiệt độ gia

nhiệt khác nhau. Các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí (220), (311), (222), (400),

(422), (511), và (440) đặc trưng cho pha ferrite chứng tỏ mẫu đơn pha. Giản đồ

nhiễu xạ tia X trong hình 3.4 (a) và 3.4 (b) khớp với các thẻ PDF chuẩn của các hệ

mẫu MnFe2O4 (khối lập phương, mạng không gian Fd3m, Z=8; ICCD PDF: 73-

1964) và CoFe2O4 (khối lập phương, mạng không gian Fd3m, Z=8; ICCD PDF: 22-

1086) [136, 137].

Hình 3.3. Thiết bị Siemens D5000.

94

Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Dựa trên độ rộng vạch nhiễu xạ ứng với góc 2θ= 34,950, chúng tôi đã xác

định kích thước tinh thể của toàn bộ hệ mẫu bằng cách sử dụng công thức Scherrer

(3.1):

cosXRDKD λ

β θ=

(3.1)

trong đó, DXRD là kích thước hạt tinh thể, λ là bước sóng của nguồn phát xạ tia X

được dùng (λ=0,154 nm), β là bề rộng vạch ở 1/2 giá trị cường độ cực đại, và θ là

góc Bragg.

Trên cơ sở các giá trị dhkl (với (hkl) là các chỉ số Miller của mặt phẳng mạng)

thu được từ giản đồ nhiễu xạ tia X, hằng số mạng của hạt tinh thể (aexp) của các hệ

mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4 được tính thông qua biểu thức [138]:

2 2 2

exp hkla d h k l= + + (3.2)

95

Hình 3.5. Ảnh FESEM của các mẫu (a) MFT100; (b) MFT180;

(c) CFT100 và (d) CFT180.

Các giá trị DXRD và aexp được trình bày trong bảng 3.2. Các giá trị DXRD của

các hệ CoFe2O4 và MnFe2O4 nằm trong khoảng 10 ÷ 40 nm. Bên cạnh đó, chúng tôi

tiến hành chụp ảnh FESEM cho tất cả các hệ mẫu CoFe2O4 và MnFe2O4. Kết quả

DXRD từ giản đồ nhiễu xạ tia X phù hợp với giá trị thu được từ các ảnh FESEM của

các hệ mẫu tương ứng (hình 3.5). Với sự thay đổi nhiệt độ gia nhiệt trong quá trình

tổng hợp mẫu; chúng tôi tổng hợp được các hệ CoFe2O4 và MnFe2O4 ứng với các

kích thước khác nhau nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lên SLP và so

sánh với kết quả lý thuyết (sẽ được trình bày ở phần sau của chương này).

Các giá trị aexp của các hệ mẫu MnFe2O4 và CoFe2O4 có giá trị gần như

không thay đổi nhiều. Đối với hệ mẫu MnFe2O4, aexp có giá trị 8,39 Å – nhỏ hơn giá

trị tương ứng với mẫu khối, 8,51 Å [139]. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau này

được giả thiết là do sự phân bố khác nhau giữa các cation Mn2+ và Mn3+ trong hệ

mẫu [140, 141]. Đối với mẫu khối MnFe2O4, mức độ đảo x = 0,2 thì sự phân bố

cation được xác định như sau (Mn0.82+Fe0.2

3+)A(Mn0.23+Fe1.8 2+)B – dẫn đến aLT là

(a) MFT100

(b) MFT180

(c) CFT100

(d) CFT180

96

8,51 Å [141]. Bên cạnh đó, các nhóm tác giả Aslibeiki và Kameli [142] cũng tìm

thấy giá trị hằng số mạng a = 8,34 Å đối với hệ hạt nano từ MnFe2O4 ∼ 6,5 nm; kết

quả này cũng được giải thích do sự sai khác phân bố cation giữa mẫu khối và mẫu

hạt nano. Một số kết quả tương tự cũng được công bố trong một số công trình của

các tác giả khác [143-146]. Đối với các hệ mẫu CoFe2O4; các giá trị aexp (bảng 3.2)

xấp xĩ giá trị mẫu khối (a = 8,38 Å) [145].

Bảng 3.2. Các giá trị DXRD và aexp.

Ký hiệu mẫu Kích thước trung bình Hằng số mạng

DXRD (nm) DFESEM (nm) aexp (Å) aLT (Å)

MFT100 16 19 8,39

8,51 [139]

MFT120 18 21 8,39

MFT140 20 22 8,40

MFT160 23 26 8,40

MFT180 29 31 8,41

CFT100 18 20 8,39

8,38 [145]

CFT120 21 23 8,39

CFT140 24 27 8,39

CFT160 28 32 8,41

CFT180 34 38 8,42

Dựa vào số liệu thực nghiệm trên bảng 3.2; chúng tôi tiến hành tính toán

khối lượng riêng (X-ray) theo công thức của Smith và Wijin [147]:

3exp

8XRD

MNa

ρ = (3.3)

trong đó, M là khối lượng nguyên tử và N là số Avogadro. Khối lượng riêng trung

bình của các hệ mẫu MnFe2O4 và CoFe2O4 tương ứng là 4,99 g/cm3 và 5,27 g/cm3.

Các giá trị khối lượng riêng này được chúng tôi sử dụng trong việc tính toán lý

thuyết giá trị SLP của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4.

3.2.2. Tính chất từ của hai hệ hạt nano CoFe2O4 và MnFe2O4

Đối với các hệ hạt nano từ MnFe2O4 (MFT100, MFT120, MFT140, MFT160

và MFT180), chúng tôi tiến hành đo đường cong từ trễ M(H) bằng thiết bị Từ kế

97

mẫu rung (VSM) của phòng thí nghiệm Vật lý các Vật liệu từ và siêu dẫn, Viện

Khoa học vật liệu. Hình 3.6 thể hiện đường cong từ trễ M(H) ứng với 5 mẫu hạt

nano từ MnFe2O4.

Hình 3.6. Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Từ đường cong từ trễ M(H), các giá trị từ độ bão hòa MS và dị hướng từ Keff

(bảng 3.3) của các hệ hạt nano từ MnFe2O4 được xác định bằng cách làm khớp hàm

M(H) theo định luật chậm tới hạn (hình 3.7) – phương trình (3.4) [148]:

( )

2

2 2

0.07621 eff

S dS

KM H M H

M Hχ

= − +

(3.4)

trong đó: MS là từ độ bão hòa và χd độ cảm từ xoay chiều ở vùng từ trường cao.

Hình 3.7. Đường từ hóa ban đầu M(H) và đường làm khớp theo định luật chậm tới hạn

của các hệ hạt nano từ MnFe2O4.

Dựa vào kết quả khớp hàm M(H) theo phương trình (3.4), giá trị Keff của các

hệ hạt nano từ MnFe2O4 đạt từ 4 32,77 10 /erg cm× đến 4 34,34 10 /erg cm× (bảng

98

3.3) - các giá trị gần với dị hướng từ của hệ MnFe2O4 dạng khối, 4 32,5 10 /erg cm×

[149].

Bảng 3.3. Các giá trị MS, Keff và SPMD của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Ký hiệu mẫu MS (emu/g) Keff (erg/cm3) SPMD (nm)

MFT100 55 42,77 10× 41

MFT120 59,9 43,01 10× 40

MFT140 63,1 43,18 10× 40

MFT160 65,4 43,29 10× 39

MFT180 68,1 43,39 10× 39

Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ MnFe2O4 chứng tỏ trạng thái

siêu thuận từ đối với các hệ mẫu này. Trong phần tính toán lý thuyết SLP ở chương

2 của luận án, mô hình LRT áp dụng đối với các hệ chất lỏng hạt nano siêu thuận

từ. Do đó, chúng tôi tiến hành tính toán đường kính siêu thuận từ tới hạn DSPM của

các hệ hạt nano từ MnFe2O4, tới hạn dựa vào phương trình (3.5) [150]:

136 25 B

SPMk TDKπ

=

(3.5)

trong đó DSPM là đường kính siêu thuận từ tới hạn đối với các hạt nano hình cầu.

Nếu D nhỏ hơn DSPM thì các hạt nano từ ở trạng thái siêu thuận từ. Đối với hệ

MnFe2O4 dạng khối với 3 32,5 10 /K J m= × thì DSPM = 42,9 (nm) ở nhiệt độ 300 K

[150]. Các giá trị DXRD và DFESEM (bảng 3.2) của các hệ hạt nano từ đều nhỏ hơn

DSPM tương ứng (bảng 3.3) – điều này chứng tỏ tất cả hệ hạt nano từ MnFe2O4 đều ở

trạng thái siêu thuận từ.

Tương tự, các đường cong từ trễ M(H) tại nhiệt độ phòng của các hệ chất

lỏng từ CoFe2O4 (CFT100, CFT120, CFT140, CFT160 và CFT180) cũng được đo

trên hệ VSM và chỉ ra trên hình 3.8.

99

Hình 3.8. Đường cong từ trễ M(H) của các hệ hạt nano từ CoFe2O4.

Các hạt nano từ CoFe2O4 thể hiện tính chất ferit từ và tồn tại lực kháng từ.

Do đó, chúng tôi xác định từ độ bão hòa bằng cách làm khớp hàm đường cong từ

hóa ban đầu theo luật tiệm cận tới bão hòa (hình 3.9) [95]:

( ) 21 ...S d

a bM H M HH H

χ = − − − +

(3.6)

trong đó, MS là từ độ bão hòa, χd độ cảm từ xoay chiều ở vùng từ trường cao, a và b

là các tham số làm khớp hàm.

Hình 3.9. Đường từ hóa ban đầu M(H) và đường làm khớp theo

định luật tiệm cận tới bão hòa của các hệ hạt nano từ CoFe2O4

Khác với các hệ hạt nano từ MnFe2O4 thể hiện trạng thái siêu thuận từ thuần

túy, các hệ hạt nano từ CoFe2O4 có tồn tại lực kháng từ. Theo chiều tăng của kích

thước hạt, lực kháng từ của các hệ hạt này tăng từ 1200 đến 2650 Oe (bảng 3.4).

100

Các giá trị HC của các hệ hạt nano từ CoFe2O4 được sử dụng để xác định giá trị dị

hướng từ Keff theo công thức [151]:

( )2.25

0.96 1 1

s Ceff

spmcr

M HKD p

D

×=

× − −

(3.7)

trong đó, p = 0,65 (giá trị nằm giữa 0,634 cho hệ hình cầu đồng đều và 0,659 cho hệ

hình cầu không đồng đều) và DSPM = 7 (nm).

Bảng 3.4. Các giá trị MS, HC, MR và Keff của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4

Hệ mẫu MS (emu/g) HC (Oe) MR (emu/g) Keff (erg/cm3)

CFT100 53,8 1200 17,5 61,07 10×

CFT120 57,6 1400 24 61,33 10×

CFT140 61,1 2300 29,5 62,3 10×

CFT160 63,9 2400 32 62, 46 10×

CFT180 73 2650 37 63,09 10×

Các giá trị Keff của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4 được tính toán và trình bày

trong bảng 3.4. Dị hướng từ của các hệ chất lỏng từ có giá trị nằm trong khoảng

( )6 6 31,02 10 3,09 10 /erg cm× − × - xấp xỉ giá trị dị hướng từ của hệ CoFe2O4 dạng

khối, 6 31,8 10 /erg cm× [149].

3.3. Đường kính động học và độ nhớt chất lỏng từ

3.3.1. Đường kính động học của các hạt nano từ

Chúng tôi tiến hành đo đường kính động học của các hạt nano từ trong các hệ

chất lỏng từ. Đường kính động học (DH) được xác định bằng phương pháp tán xạ

ánh sang động DLS (Dynamic Light Scattering) trên máy đo Malvern Zetasizer

101

version 6.0 tại Phòng nghiên cứu triển khai, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Máy đo Malvern Zetasizer xác định hạt keo có

kích thước từ 0,6 nm đến 6000 nm. Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên mối

liên hệ giữa kích thước hạt keo trong chất lỏng và tốc độ chuyển động Brown của

chúng. Tốc độ chuyển động Brown của các hạt lơ lửng trong chất lỏng được đo đạc

thông qua việc phân tích cường độ tán xạ ánh sáng động DLS của chùm tia laser khi

chiếu vào mẫu dung dịch có chứa các hạt có kích thước nhỏ.

Hình 3.10. Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu

(a) MFT120; (b) MFT140; (c) MFT160 và (d) MFT180.

Dựa vào số liệu các mẫu đo, phân bố kích thước hạt của các hệ chất lỏng từ

được làm khớp theo hàm phân bố log – tự nhiên (biểu thức 2.6) [19]:

102

( )

2

ln1 0exp 22 2

DD

g DDπσ σ

= −

trong đó D0 là đường kính trung bình của hệ; σ là độ lệch chuẩn của phân bố kích

thước hạt.

Hình 3.10 và hình 3.11 thể hiện kết quả đo đường kính động học và làm

khớp hàm phân bố kích thước theo hàm phân phối chuẫn log – tự nhiên đối với các

hệ mẫu MnFe2O4 và CoFe2O4.

Hình 3.11. Phân bố kích thước động học của các hệ mẫu

(a) CFT120; (b) CFT140; (c) CFT160 và (d) CFT180.

103

Bảng 3.5 thể hiện các giá trị trung bình DH và độ lệch chuẩn của tất cả các

mẫu chất lỏng từ sử dụng trong luận án. Các kết quả cho thấy hầu hết các hệ chất

lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4 có độ lệch chuẩn tương đối nhỏ ( 0,25σ ≤ ), ngoại trừ

hệ chất lỏng từ CFT180. Các giá trị DH của các hệ chất lỏng từ lớn hơn các giá trị

DXRD và DFESEM tương ứng do các hạt nano từ kết đám khi phân tán trong dung môi.

Đối với hệ chất lỏng từ MFT100, DXRD và DFESEM lần lượt là 16 nm và 19 nm; còn

DH là 21 nm với độ lệch chuẩn là 0,18. Đối với hệ chất lỏng từ CFT100, DXRD và

DFESEM lần lượt là 18 nm và 20 nm; còn DH là 25 nm với độ lệch chuẩn là 0,18.

Hàm phân bố kích thước đối với từng hệ chất lỏng từ được chúng tôi đưa vào tính

toán công suất đốt nóng cảm ứng từ trong phần sau.

Bảng 3.5. Phân bố kích thước động học của các hệ chất lỏng từ.

Ký hiệu mẫu Phân bố kích thước

DH (nm) σ

MFT100 21 0,18

MFT120 23 0,18

MFT140 24 0,21

MFT160 27 0,17

MFT180 37 0,1

CFT100 25 0,18

CFT120 27 0,12

CFT140 29 0,1

CFT160 38 0,25

CFT180 43 0,27

3.3.2. Độ nhớt chất lỏng từ

Dựa vào kết quả tính toán theo mô hình LRT, SLP phụ thuộc vào độ nhớt của

chất lỏng từ. Sự thay đổi độ nhớt chất lỏng từ có thể tạo ra bằng cách pha hỗn hợp

nước với agar theo các tỷ lệ khác nhau.

Các hệ chất lỏng từ (đang phân tán trong môi trường nước tinh khiết) được

phân tán trong các dung môi với các nồng độ agar khác nhau để tạo thành các chất

lòng từ có độ nhớt khác nhau. Độ nhớt của từng chất lỏng từ được kiểm tra bằng hệ

104

máy Sine wave Vibro Viscometer SV10 tại Viện Khoa học vật liệu, Viện hàn lâm

Khoa học và công nghệ Việt Nam.

Đầu tiên, tất cả 10 hệ mẫu MFT100, MFT120, MFT140, MFT160, MFT180,

CFT100, CFT120, CFT140, CFT160 và CFT180 được phân tán trong môi trường

nước. Độ nhớt của các mẫu MFT100, MFT120, MFT140, MFT160 và MFT180 là 1

mPa⋅s. Độ nhớt của các mẫu CFT100, CFT120, CFT140, CFT160 và CFT180 là

1,37 mPa⋅s. Sự khác biệt độ nhớt giữa hai nhóm hệ MFO và CFO chính là do khả

năng phân tán trong nước của từng hệ hạt nano từ. Sau đó, với mục đích khảo sát

ảnh hưởng độ nhớt lên công suất đốt nóng, các mẫu chất lỏng từ MFT100 và

CFT100 được phân tán trong các dung môi là hỗn hợp nước với agar với tỷ lệ agar

biến thiên trong dải rộng. Đối với mẫu MFT100, tỷ lệ nước và agar tương ứng là

2:0, 1,6:0,4, 1,2:0,8, 0,8:1,2, 0,4:1,6 và 2:0. Độ nhớt của 6 mẫu chất lỏng từ

MFT100 lần lượt là 1 mPa⋅s, 1,2 mPa⋅s, 1,4 mPa⋅s, 1,6 mPa⋅s, 1,8 mPa⋅s và 2

mPa⋅s. Đối với mẫu CFT100, tỷ lệ nước và agar tương ứng là 2:0; 1,5:0,5; 1:1;

0,5:1,5 và 2:0. Độ nhớt của 5 mẫu chất lỏng từ CFT100 lần lượt là 1,37 mPa⋅s, 1,56

mPa⋅s, 1,74 mPa⋅s, 1,97 mPa⋅s và 2,12 mPa⋅s.

3.4. Hệ thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ

Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ MIH được thực hiện trong từ trường xoay

chiều được tạo thành khi dòng điện xoay chiều từ một máy phát chạy qua một cuộn

dây cảm ứng. Hệ thiết bị phát từ trường xoay chiều đặt tại Viện Khoa học vật liệu,

dùng máy phát thương mại Model: RDO-HFI, công suất 5 kW (hình 3.12).

Hình 3.12. Hệ phát từ trường xoay chiều: Model: RDO-HFI.

105

Hệ thiết bị tạo từ trường xuay chiều trong vùng tần số 166 kHz đến 236 kHz,

cường độ 40 ÷ 100 Oe, cuộn dây cảm ứng gồm 7 vòng, đường kính 3 cm và dài

11,5 cm.

Các mẫu đo được phân tán trong dung môi, được đặt cách nhiệt với môi

trường ngoài bằng một vỏ bình thuỷ tinh được hút chân không 10-1 ÷ 10-2 Torr.

Nhiệt độ mẫu được đo bằng nhiệt kế quang (GaAs sensor, Opsens) với độ chính xác

0,3 0C trong dải từ 0 0C đến 250 0C; và có kết nối máy tính để ghi lại dữ liệu. Độ

chính xác thời gian là 1 giây.

(a)

(b)

Hình 3.13. (a) Minh hoạ bố trí thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ, (b) cách xác định tốc độ

tăng nhiệt ban đầu từ đường nhiệt độ đốt phụ thuộc thời gian.

Trong chương này của luận án, giá trị SAR được xác định từ thực nghiệm đốt

nóng cảm ứng từ thực hiện trong từ trường xoay chiều. Giá trị SAR được tính toán

theo biểu thức 1.26 [24, 30, 95, 96]:

s

i

m TSAR Cm t

∆=

∆

trong đó, C là nhiệt dung riêng của hệ chất lỏng từ, ms là khối lượng của chất lỏng

từ, mi là khối lượng của hạt nano từ trong chất lỏng từ và Tt

∆∆

là tốc độ gia nhiệt ban

đầu, được tính từ các đường thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của mẫu: tiếp tuyến

của đường cong nhiệt độ phụ thuộc thời gian tại thời điểm bật từ trường (hình 3.13

(b)).

106

3.5. Một số thực nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết

3.5.1. Ảnh hưởng của từ trường đo đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ

Chúng tôi tiến hành khảo sát giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ CFT100 và

MFT100 trong các từ trường xoay chiều tần số 236 kHz với 4 cường độ từ trường

khác nhau (50 Oe; 60 Oe; 70 Oe và 80 Oe). Các hệ chất lỏng từ đều được phân tán

trong dung môi là nước tinh khiết với nồng độ 6 mg/ml. Hình 3.14 thể hiện các

đường gia nhiệt đốt nóng cảm ứng từ của hai hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100.

Hình 3.14. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b) CFT100 cho từ

trường các cường độ khác nhau, cùng tần số f = 236 kHz.

Tốc độ gia nhiệt ban đầu (∆T/∆t) đều có xu hướng tăng khi tăng từ trường

ngoài đối với cả hai loại chất lỏng từ. Trong khoảng thời gian đầu (100 s), nhiệt độ

tăng tuyến tính, sau đó tăng chậm. Cơ chế sinh nhiệt của quá trình tăng nhiệt nhanh

ở giai đoạn đầu là do sự đóng góp của cơ chế tổn hao từ trễ, tổn hao hồi phục (Néel,

Brown) và tổn hao dòng điện xoáy [142]. Đối với hệ chất lỏng hạt nano ferit từ, độ

dẫn điện thấp nên tổn hao dòng điện xoáy gần như không đáng kể. Đối với hệ chất

lỏng từ MFT100, các hạt nano từ ở trạng thái siêu thuận từ nên các tổn hao hồi phục

đóng góp chính. Để xem xét sự tồn tại của hai cơ chế tổn hao hồi phục (Néel –

Brown) và cơ chế tổn hao từ trễ trên hai hệ vật liệu MFT100 và CFT100, chúng tôi

sử dụng tham số tới hạn ξ ở công thức (1.9). Kết quả tính toán cho thấy với hệ mẫu

MFT100 giá trị ξ nhận được và thay đổi từ 0,53 đến 0,85 khi từ trường thay đổi từ

50 đến 80 Oe. Trong khi đó, tham số ξ cho hệ mẫu lần lượt là 0,78, 0,93, 1 và 1,24

107

ứng với cường độ từ trường 50 Oe, 60 Oe, 70 Oe và 80 Oe. Từ những giá trị ξ nhận

được chứng tỏ rằng mẫu MFT100 chỉ tồn tại cơ chế tổn hao hồi phục (Néel –

Brown) trong khi mẫu CFT100 có sự thay đổi về đóng góp của hai cơ chế tổn hao

khi ta thay đổi cường độ từ trường ngoài.

Bảng 3.6. Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100.

H (Oe) SAR (MFT100)

(W/g)

SAR (CFT100)

(W/g)

50 8,8 6,9

60 13,4 9,2

70 20 13,8

80 31,7 21,3

Từ các đường thực nghiệm trên hình 3.14 và dựa trên cơ sở tính toán đã được

trình bày ở mục 3.4, các giá trị SAR được liệt kê trong bảng 3.6. Sự phụ thuộc của

SAR vào H2 ở hai hệ chất lỏng từ và đường nét liền làm khớp theo quy luật H2 được

thể hiện trên hình 3.15. (với hệ số làm khớp hàm R2 > 0,91). Hình 3.15 cho thấy giá

trị SAR phụ thuộc từ trường theo kiểu hàm H2. Kết quả thực nghiệm này là phù hợp

với các kết quả thực nghiệm của các nhóm tác giả M. Cobianchi [69], P. M. A.

Caeteno [152] và B. B Lahiri [153]. Thực nghiệm kiểm chứng cho thấy mô hình

LRT phù hợp đối với hiệu ứng MIH của các hệ chất lỏng từ trong vùng từ trường

thấp.

108

Hình 3.15. Phụ thuộc SAR vào từ trường đo cho 2 chất lỏng từ MFT100 và CFT100.

Đường liền nét đường làm khớp theo quy luật H2.

Từ hình 3.15, có thể nhận thấy tại giá trị H = 80 Oe đã bắt đầu xuất hiện sự

lệch khỏi quan hệ SAR theo H2, nói cách khác LRT không còn đủ chính xác với từ

trường tác dụng lớn hơn 80 Oe. Khi H = 80 Oe, tham số ξ của hai hệ chất lỏng từ

MFT100 và CFT100 lần lượt là 0,85 và 1,24. Đối với hệ MFT100, giá trị ξ (bằng

0,85) gần với giá trị 1 nên đây là vùng giao giữa hai mô hình SWMBTs và LRT. Do

đó, nếu xét trong vùng từ trường 50÷70 Oe thì SAR phụ thuộc vào H2.

Tương tự, giá trị ξ < 1 cho thấy bên cạnh tổn hao hồi phục thì tổn hao do trễ

từ có đóng góp đáng kể lên SAR của hệ CFT100 khi từ trường 70÷80 Oe. Vậy, giá

trị SAR phụ thuộc vào H2 trong vùng từ trường 50÷70 Oe. Ứng với từ trường 80 Oe,

giá trị ξ (1,24) lớn hơn 1 thì SAR phụ thuộc vào H không theo quy luật H2. Nguyên

nhân của sự khác biệt này chính là do sự đóng góp đáng kể của cơ chế tổn hao từ trễ

đến hiệu ứng MIH đối với hệ CFT100 ở từ trường 80 Oe. Để so sánh chính xác giữa

thực nghiệm và mô hình LRT thì giá trị SAR của hai hệ này được trừ đi phần đóng

góp của tổn hao từ trễ. Đây cũng chính là phương pháp mà nhóm tác giả P. H. Nam

và cộng sự sử dụng [109, 154]. Kết quả này cũng được nhóm tác giả M. Cobianchi

và cộng sự [69] tìm thấy đối với chất lỏng từ γ-Fe2O3.

Bên cạnh phụ thuộc cường độ từ trường, chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ

thuộc giá trị SAR vào tần số đối với hai hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100. Hình

3.16 thể hiện các đường gia nhiệt thực nghiệm của hai hệ này đo tại cường độ từ

trường 80 Oe với các tần số 166 kHz, 178 kHz và 236 kHz. Các giá trị SAR được

trình bày ở bảng 3.7.

109

Hình 3.16. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ mẫu (a) MFT100 và (b) CFT100 đo tại

tù trường cùng cường độ 80 Oe với 3 tần số khác nhau.

Theo mô hình LRT, SLP chịu ảnh hưởng của tần số theo 3 vùng rõ rệt: 2SLP f khi 1ωτ << ; SLP f khi 1ωτ ≈ và SLP không phụ thuộc vào tần số khi

1ωτ >> . Kết quả khảo sát SAR theo f của chúng tôi chỉ thực hiện được ở ba tần số:

166 kHz, 178 kHz và 236 kHz (hạn chế của thiết bị tạo từ trường xoay chiều). Đây

là các tần số nằm trong vùng tần số thỏa mãn điều kiện 1ωτ ≈ . Vì vậy, giá trị SAR

phải phụ thộc tuyến tính vào tần số theo mô hình LRT.

Bảng 3.7. Các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ MFT100 và CFT100.

f (kHz) SAR (MFT100)

(W/g)

SAR (CFT100)

(W/g)

166 10,5 2,6

178 16,9 8,2

236 31,7 21,3

Để kiểm chứng thực nghiệm theo mô hình LRT, chúng tôi làm khớp hàm

SLP(f) thì nhận thấy sự phụ thuộc SAR theo f được làm khớp theo hàm tuyến tính

đối với các hệ MFT100 và CFT100 đều có được hệ số làm khớp R2 >0,91 (hình

110

3.17). Kết quả thực nghiệm này phù hợp với các kết quả thực nghiệm của các nhóm

tác giả M. Cobianchi [69], Kishimoto [126] và Fortin [23].

Hình 3.17. Giá trị của SAR phụ thuộc vào f,

đường nét liền làm khớp theo quy luật tuyến tính

Sự phụ thuộc SAR theo từ trường đo đã chỉ ra rằng, mô hình LRT phù hợp

với kết quả thực nghiệm về hiệu ứng MIH ở vùng từ trường thấp cho hai hệ chất

lỏng MFT100 và CFT100. Với điều kiện của phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học

vật liệu, chúng tôi tiếp tục tiến hành thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của kích

thước hạt đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ, như trình bày trong mục tiếp theo.

3.5.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano từ đến hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ

Bằng cách thay đổi nhiệt độ gia nhiệt, chúng tôi đã chế tạo được các hệ chất

lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4 có vùng kích thước nằm trong khoảng 20 ÷ 50 nm

(bảng 3.2 và bảng 3.5). Các hệ chất lỏng từ MFT100, MFT120, MFT140, MFT160,

MFT180, CFT100, CFT120, CFT140, CFT160 và CFT180 được tiến hành khảo sát

giá trị SAR trong từ trường xoay chiều tần số 236 kHz với cường độ 80 Oe. Các hệ

chất lỏng từ đều được phân tán trong dung môi là nước tinh khiết với nồng độ 6

mg/ml. Đường thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ khác nhau

về kích thước hạt được thể hiện ở hình 3.18.

111

Hình 3.18. Đường đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ nền hạt nano kích thước

khác nhau, của: (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Tương tự như phần trước của luận án, các giá trị SAR của các hệ chất lỏng từ

được tính toán theo biểu thức (1.26). Đồng thời, chúng tôi tiến hành tính toán lý

thuyết SLP của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4 nhằm so sánh với kết quả

thực nghiệm. Khác với các tính toán chung trong chương 2 (dùng các tham số cho

vật liệu khối), các giá trị từ độ bão hòa MS, dị hướng từ hiệu dụng Keff, khối lượng

riêng trung bình (ρXRD) và độ lệch chuẩn của phân bố kích thước (σ) được sử dụng

trong tính toán công suất đốt nóng dưới đây đã dùng chính các giá trị thực nghiệm

thu được cho mẫu nghiên cứu. Ngoài ra, để tránh ảnh hưởng của thông số từ độ bão

hòa khi phân tích SAR phụ thuộc kích thước, chúng tôi dùng tỷ lệ SAR/MS cho tất cả

kết quả thực nghiệm và lý thuyết (hình 3.18 và hình 3.19). Các giá trị SAR và

SAR/MS được trình bày trong bảng 3.8 và bảng 3.9.

Bảng 3.8. Các giá trị SAR và SAR/MS của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Hệ mẫu DXRD

(nm)

DH

(nm) σ

SAR

(W/g)

SAR/MS

(W/emu)

MFT100 16 21 0,18 31,7 0,58

MFT120 18 23 0,18 43,7 0,73

MFT140 20 24 0,21 51,8 0,82

MFT160 23 27 0,17 66,7 1,02

MFT180 29 37 0,1 43,7 0,64

112

Hình 3.19 và hình 3.20 trình bày các đường SAR/MS phụ thuộc D trong vùng

kích thước 0 ÷ 50 nm. Đường màu đỏ là lý thuyết với độ lệch chuẩn σ = 0, đường

màu tím là đường lý thuyết fit tốt nhất với các điểm thực nghiệm theo độ lệch chuẩn

là 0,25 và 0,3 tương ứng đối với các hệ chất lỏng từ MnFe2O4 và CoFe2O4. Các giá

trị σfit này có thể xem là cùng cỡ với giá trị σ thực nghiệm chế tạo hạt nano từ bằng

phương pháp thủy nhiệt.

Bảng 3.9. Các giá trị SAR và SAR/MS của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4.

Hệ mẫu DXRD

(nm)

DH

(nm) σ

SAR

(W/g)

SAR/MS

(W/emu)

CFT100 18 25 0,18 21,3 0,40

CFT120 21 27 0,12 30,7 0,53

CFT140 24 29 0,1 34,8 0,57

CFT160 28 38 0,25 23,8 0,37

CFT180 34 43 0,27 24 0,33

Hình 3.19. Giá trị SAR/MS và SLP/MS của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4.

Về vùng kích thước tối ưu, các mẫu chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt

điều khiển kích thước hạt bằng cách thay đổi nhiệt độ tổng hợp từ 100 ÷ 180oC cho

kích thước D từ 21 đến 43 nm. Như vậy, chỉ có loạt mẫu hạt nano MnFe2O4 mới có

vùng kích thước bao phủ giá trị kích thước tối ưu cho hệ ferit mangan này với Dcp =

113

27,5 nm, tính cho từ trường (80 Oe, 236 kHz). Các giá trị thực nghiệm thu được,

trình bày trên hình 3.19 cho thấy công suất đốt nóng cảm ứng từ đối với hệ hạt nano

từ mềm này là tối ưu đúng vào vùng kích thước khoảng 25÷30 nm như dự đoán của

lý thuyết LRT. Cụ thể, công suất đốt nóng cảm ứng từ đạt cực đại ở kích thước 27

nm (mẫu MFT160). Quan sát bằng thực nghiệm về sự tồn tại dạng đỉnh công suất

đốt nóng cảm ứng từ phụ thuộc kích thước hạt này, theo chúng tôi biết, chỉ được

công bố trước đây trong hai công trình của các nhóm tác giả Deatsch [3] và

Krishnan [108] cho hạt nano Fe3O4. Trong đó, nhóm Krishnan thực hiện thí nghiệm

đo cho cùng một loạt mẫu tự chế tạo và thu được công suất cực đại tại D = 16 nm

tại từ trường đo 170 Oe, 376 kHz, còn nhóm Deatsch biểu diễn số liệu từ 8 tài liệu

tham khảo khác nhau và chỉ ra SAR cực đại trong vùng D = 15÷18 nm.

Trở lại hình 3.19, thấy rằng các điểm thực nghiệm của các mẫu chế tạo tại

nhiệt độ 100, 120, 140 và 160oC được fit rất tốt với đường lý thuyết cho giá trị σ =

0,25. Riêng mẫu MFT180 tổng hợp tại 180oC cho giá trị thực nghiệm cao hơn giá

trị lý thuyết tương ứng. Chúng tôi giả thuyết rằng, với nhiệt độ tổng hợp cao, hạt có

kích thước lớn (37 nm), rất có thể cần phải xét cả đóng góp của cơ chế từ trễ bổ

sung thêm vào hai cơ chế hồi phục đã đề cập trong lý thuyết LRT. Ngoài ra, đây

cũng có thể liên quan đến tương tác giữa các hạt nano từ. Sự tương tác này sẽ ảnh

hưởng đến thời gian hồi phục hiệu dụng của hệ hạt nano từ [6]. Từ đó, giá trị SAR

của các hệ hạt nano từ bị ảnh hưởng theo chiều hướng tăng hoặc giảm [6]. Mặc dù

sự tương tác giữa các hạt nano từ dù đã được đề cập đến rất nhiều trong biện luận

một số công trình nghiên cứu nhưng đến nay vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu

về vai trò của sự tương tác từ đến hiệu ứng MIH. Đây vẫn là vấn đề mở cần được

nghiên cứu đối với hiệu ứng MIH.

114

Hình 3.20. Giá trị SAR/MS và SLP/MS của các hệ chất lỏng từ CoFe2O4

Đối với hệ ferit cô ban, như đã nói ở trên, các mẫu hạt nano chế tạo được có

kích thước đều nằm khá xa về phía trên của kích thước tối ưu (Dcp = 16 nm) tính

cho từ trường đo trong thí nghiệm này (hình 3.20). Hầu hết các điểm đo thực

nghiệm (CFT 120, CFT140, CFT160 và CFT180) có vẻ nằm bám theo nhánh đường

cong lý thuyết của vùng D > Dcp (SAR hay SLP giảm theo chiều tăng của D). Như

đã đề cập ở trước, mẫu CFT100 có giá trị ξ lớn hơn 1 ứng với từ trường 80 Oe nên

kết quả thực nghiệm này có sự khác biệt vì cơ chế tổn hao từ trễ đóng góp đáng kể.

Nói cách khác, mô hình LRT không phù hợp đối với hệ chất lỏng từ CoFe2O4 ở từ

trường 80 Oe. Trong khi đó, nhóm nghiêm cứu P. H. Nam và cộng sự đã tìm thấy

kích thước tối ưu của hệ CoFe2O4@OA/OLA là 11 nm ở từ trường 300 Oe, tần số

290÷450 kHz [154]. Trong khi cơ chế sinh nhiệt chủ yếu của các hệ mẫu này ở kích

thước dưới 10 nm là cơ chế tổn hao hồi phục thì mẫu tương ứng ở kích thước trên

20 nm là cơ chế tổn hao từ trễ. Nhóm nghiên cứu P. H. Nam và cộng sự đã giải

quyết tốt bài toán kích thước tối ưu của hệ này dựa vào sự kết hợp giữa hai mô hình

LRT và SWMBTs.Tuy nhiên, cơ chế sinh nhiệt của mẫu ứng với kích thước tối ưu

11 nm vẫn chưa được xác định một cách tường minh. Điều này cho thấy cơ chế sinh

nhiệt chính của hệ CoFe2O4 khá phức tạp.

Ngoài ra, nếu vùng từ trường đủ thấp để các giá trị ξ của hệ CoFe2O4 nhỏ

hơn 1 thì mô hình LRT phù hợp. Ứng với từ trường xoay chiều có tần số trong

khoảng 290÷450 kHz, tác giả P. H. Nam và cộng sự đã khẳng định mô hình LRT

115

phù hợp khi kích thước hạt của hệ CoFe2O4 nhỏ hơn 10 nm [154]. Và, cơ chế tỏa

nhiệt chính của hiệu ứng đốt nóng là tổn hao từ trễ (lý thuyết SWMBTs) đối với hệ

này ứng với vùng kích thước lớn 20 nm [154]. Ứng với tần số 236 kHz, các số liệu

thí nghiệm trên của chúng tôi chưa cho phép nhận xét gì về các tham số đặc trưng

của công suất đốt nóng phụ thuộc vào kích thước hạt đối với hệ CoFe2O4. Tuy

nhiên, giá trị ξ của hệ CoFe2O4 xấp xĩ nhau nên sự đóng góp của tổn hao từ trễ đến

hiệu ứng MIH tăng theo kích thước là không đáng kể. Nói cách khác, sự đóng góp

của cơ chế sinh nhiệt này đến hiệu ứng đốt nóng của các mẫu có thể tương đương

nhau. Điều đó cho thấy khả năng giá trị SAR suy giảm theo kích thước ở vùng D >

Dcp phù hợp với mô hình LRT. Mặc dù vậy, để có thể bàn kỹ hơn về biểu hiện đỉnh

cũng như các tham số đặc trưng đỉnh công suất này, thiết nghĩ sẽ cần tiến hành thêm

một số loạt thí nghiệm, có thể như chế tạo hệ hạt nano ferit cô ban bằng phương

pháp phân hủy nhiệt nhằm dịch chuyển vùng kích thước hạt xuống dưới 15 nm nữa.

Ngoài ra, sự chưa phù hợp về vùng kích thước hạt ra, một điểm cần khắc phục trong

các thí nghiệm tiếp theo là hạt nano sau khi chế tạo nên bọc bới lớp vật liệu phi từ

nhằm tránh sự kết đám hạt, một hiệu ứng tuy chưa được nghiên cứu kỹ nhưng chắc

chắn sẽ có ảnh hưởng đến số liệu đo thực nghiệm do có thay đổi thời gian hồi phục

của mẫu bị kết đám.

3.5.3. Phân tích đóng góp của tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown

Một trong những kết quả thú vị của mô hình LRT chính là sự cạnh tranh

đóng góp giữa hai cơ chế tổn hao hồi phục Néel và Brown. Sự cạnh tranh này dẫn

đến sự phụ thuộc khác nhau của giá trị SLP của hai nhóm chất lỏng từ A và B vào

tham số nội của hệ. Đặc biệt, sự suy giảm SLP theo độ nhớt được tìm thấy ở nhóm

chất lỏng từ B nhưng lại không thể hiện ở nhóm chất lỏng từ A. Trong điều kiện của

phòng thí nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo sát giá trị SAR của hai hệ chất lỏng từ

MFT100 và CFT100 trong các độ nhớt khác nhau ở phần này của luận án. Các tham

số thực nghiệm của hai hệ chất lỏng từ này được sử dụng để tính toán lý theo mô

hình LRT.

116

Hình 3.21. Đường gia nhiệt đốt nóng cảm ứng từ của

các hệ chất lỏng từ: (a) MnFe2O4 và (b) CoFe2O4.

Đường thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ của các hệ chất lỏng từ MFT100 và

CFT100 với các độ nhớt khác nhau được thực hiện trong từ trường với cường độ 65

Oe và tần số 178 kHz (hình 3.21). Các giá trị SLP và SAR được tính toán và trình

bày ở bảng 3.10.

Đối với mẫu MFT100, tỷ lệ nước và agar tương ứng là 2:0, 1,6:0,4, 1,2:0,8,

0,8:1,2, 0,4:1,6 và 2:0. Độ nhớt của 6 mẫu chất lỏng từ MFT100 lần lượt là 1 mPa⋅s,

1,2 mPa⋅s, 1,4 mPa⋅s, 1,6 mPa⋅s, 1,8 mPa⋅s và 2 mPa⋅s.

Đối với mẫu CFT100, tỷ lệ nước và agar tương ứng là 2:0, 1,5:0,5, 1:1,

0,5:1,5 và 2:0. Độ nhớt của 5 mẫu chất lỏng từ CFT100 lần lượt là: 1,37 mPa⋅s, 1,56

mPa⋅s, 1,74 mPa⋅s, 1,97 mPa⋅s và 2,12 mPa⋅s.

Bảng 3.10. SLP và SAR của các hệ CFT100 và MFT100

Hệ mẫu η

(mPa⋅s)

SAR

(W/g)

SLP

(W/g) Hệ mẫu

η

(mPa⋅s)

SAR

(W/g)

SLP

(W/g)

CFT100

1,37 38,7 72

MFT100

1 12 65

1,56 19,9 63,6 1,2 10,6 64,7

1,74 16,7 57,3 1,4 11,3 64,4

1,97 11,5 51,8 1,6 10,9 64,1

2,12 9,1 47,3 1,8 11 63,9

2 10 63,7

117

Giá trị SLP của hệ chất lỏng từ MFT100 gần như không thay đổi theo độ

nhớt của chất lỏng từ. Giá trị này giảm từ 65 W/g xuống 63,7 W/g khi độ nhớt tăng

từ 1 đến 2 mPa⋅s. Sự thay đổi này rất nhỏ chỉ chiếm 2% so với giá trị SLP của hệ

chất lỏng từ MFT100 ở độ nhớt 1 mPa⋅s. Ngược lại, sự thay đổi giá trị SLP của hệ

CFT100 chiếm đến hơn 34% (gấp hơn 17 lần so với hệ MFT100). Vì vậy, kết quả

cho thấy giá trị SLP của hệ chất lỏng từ MFT100 thay đổi không đáng kể theo độ

nhớt, còn giá trị SLP của hệ chất lỏng từ CFT100 suy giảm rất mạnh theo chiều tăng

của độ nhớt.

Hình 3.22. Sự phụ thuộc SAR vào độ nhớt của các hệ chất lỏng từ (a) MnFe2O4 và (b)

CoFe2O4. Các đường màu đỏ là đường tính toán SLP theo mô hình LRT.

Mặt khác, giá trị thực nghiệm SAR của hai hệ chất lỏng từ MFT100 (K = 4 32,77 10 /erg cm× ) và CFT100 (K = 6 31,07 10 /erg cm× ) thay đổi lần lượt là 17%

và 76%. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự suy giảm công suất suất đốt nóng cảm

ứng từ của hệ chất lỏng từ CFT100 theo chiều tăng độ nhớt là mạnh hơn rất nhiều

so với của hệ chất lỏng từ MFT100 (hình 3.22). Kết quả thực nghiệm này phù hợp

với mô hình LRT. Kết quả quan sát này của chúng tôi cũng phù hợp với dấu hiệu

cùng khuynh hướng ảnh hưởng độ nhớt mẫu lên sự thay đổi của SAR trong một vài

công bố gần đây của các tác giả khác. Chẳng hạn, công trình [22, 23] khi khảo sát

các hệ chất lỏng từ đơn hạt γ-Fe2O3 (K = 16 kJ/m3) và CoFe2O4 (K = 123 kJ/m3)

cho thấy SLP giảm khi độ nhớt tăng và hiệu ứng này quan sát ở hệ chất lỏng từ

CoFe2O4 rõ hơn hệ γ-Fe2O3. Trong khi, Pineiro-Redondo và cộng sự [115] nhận

thấy SAR tăng rất nhỏ (36,5 W/g đến 37,3 W/g) khi độ nhớt thay đổi từ 1 đến 17

mPa⋅s đối với hệ chất lỏng từ Fe3O4@PAA (polyacrylic acid) (K = 9 kJ/m3). Kết

quả nghiên cứu của nhóm tác giả Jeun và cộng sự [94] cũng cho thấy tác động khác

nhau của η lên hiệu ứng MIH đối với hai hệ chất lỏng từ có K khác bậc nhau thể

118

hiện qua giá trị nhiệt độ bão hòa của hệ chất lỏng từ Fe3O4 gần như không thay đổi

thì giá trị này của hệ chất lỏng từ CoFe2O4 giảm khi độ nhớt tăng.

Như vây, có thể nói rằng việc quan sát bằng thực nghiệm xuất phát từ căn cứ

tính toán lý thuyết về sự biến đổi/suy giảm của công suất đốt nóng căm ứng từ theo

độ nhớt một cách rất khác nhau tùy vào tham số dị hướng từ của hệ hạt nano là một

kết quả kiểm chứng mô hình LRT dễ thực thi và có giá trị.

So với hình vẽ 2.24 và bảng 2.15 (phần 2.3 của luận án) các giá trị thực

nghiệm dị hướng từ hiệu dụng của hai hệ hạt nano từ MFT100 và CFT100 cho thấy

tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế trong chất lỏng từ MFT100 thuộc nhóm A và

tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế trong chất lỏng từ CFT100 thuộc nhóm B.

Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tiến hành tính toán các thời gian hồi phục Neel,

Brown và hiệu dụng của hai hệ chất lỏng từ ứng với hai độ nhớt 1 mPa⋅s và 2,12

mPa⋅s (bảng 3.11). Kết quả cho thấy Bτ τ= đối với hệ CFT100. Ngược lại, đối với

hệ MFT100 thì Nτ τ= . Hai nhận định (về giá trị Keff so với KC và thời gian hồi

phục) đều cho thấy tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế đối với hệ CFT100 còn

tổn hao hồi phục Neel chiếm ưu thế đối với hệ MFT100.

Bảng 3.11. Các thời gian hồi phục của MFT00 và CFT100.

Chất

lỏng từ

D

(nm)

η

(mPa⋅s) Nτ

(s)

Bτ

(s)

τ

(s)

CFT100 25 1 2382,85 10× 67, 47 10−× 67, 47 10−×

2,12 2382,85 10× 51,58 10−× 51,58 10−×

MFT100 21 1 81,98 10−× 64,92 10−× 81,97 10−×

2,12 81,98 10−× 51,04 10−× 81,98 10−×

Vậy đối với các hệ chất lỏng từ nhóm A (giá trị Keff < KC) như hệ MFT100,

tổn hao hồi phục Néel đóng góp chính vào cơ chế sinh nhiệt của hiệu ứng MIH.

Ngược lại, tổn hao hồi phục Brown đóng góp chính vào cơ chế sinh nhiệt của hiệu

ứng MIH đối với các hệ chất lỏng từ nhóm B (giá trị Keff ≥ KC) như hệ CFT100.

119

Tương tự phần trước của luận án, sự sai khác khá lớn giữa giá trị (tuyệt đối)

SLP và SAR vẫn xuất hiện trong kết quả nghiên cứu của chúng tôi. Một số nguyên

nhân có thể dẫn đến sự sai khác sẽ được chúng tôi đề cập sau đây. Đầu tiên, các giá

trị hằng số như ( )90 10 sτ −= được áp dụng cho các hạt nano từ không tương tác. Sự

phụ thuộc thời gian hồi phục Neel vào tham số dị hướng từ K chưa kể đến dị hướng

hình dạng , dị hướng có vai trò lớn đối với các hệ hạt nano từ. Thứ hai, đường kính

động học không phải là một tham số được xác định rõ ràng. Sự kết đám các hạt

nano từ tạo thành các hạt lớn có nhiều lớp bề mặt hay chuyển động kéo theo sự vận

động của các hạt xung quanh đều gây ảnh hưởng đến giá trị đường kính động học.

Thứ ba, mô hình LRT với giả thiết các hạt nano từ không tương tác đã bỏ qua vai

trò của tương tác giữa các hạt đến công suất đốt nóng cảm ứng từ. Tuy nhiên, các

nguyên nhân này chỉ dẫn đến sự sai khác về độ lớn tuyệt đối của SLP và SAR chứ

không ảnh hưởng đến khuynh hướng của SLP khi độ nhớt thay đổi. Vì vậy, kết quả

thực nghiệm về xu hướng thay đổi SLP là phù hợp với mô hình LRT. Đồng thời, kết

quả cho thấy vai trò quan trọng của độ nhớt cũng như dị hướng từ hiệu dụng đối với

hiệu ứng MIH. Hai tham số này quyết định sự cạnh tranh giữa tổn hao hồi phục

Neel và tổn hao hồi phục Brown.

120

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Kết quả thực nghiệm tiến hành cho 2 nhóm hạt nano từ MnFe2O4 và CoFe2O4

khẳng định rằng SLP tăng đơn điệu khi tăng cường độ hoặc tần số từ trường đo.

SLP phụ thuộc theo H theo hàm H2 trong vùng từ trường dưới 80 Oe. Bên cạnh đó,

SLP cũng phụ thuộc tuyến tính vào f trong vùng từ trường thấp thỏa mãn ωτ∼1.

Theo chiều tăng của kích thước hạt nano từ, giá trị SLP tăng đến một giá trị

cực đại SLPmax ứng với kích thước tới hạn Dcp của hệ hạt nano từ. Sau đó, giá trị

SLP giảm theo chiều tăng của kích thước hạt nano từ khi D lớn hơn Dcp. Thực

nghiệm của các hệ chất lỏng từ MnFe2O4 cho thấy hệ chất lỏng từ này tồn tại giá trị

SLPmax ứng với kích thước trung bình 27 nm. Kết quả này khá khớp với lý thuyết.

Tuy nhiên, mô hình LRT tỏ ra chưa đủ chính xác với hệ chất lỏng từ MnFe2O4 ứng

với vùng kích thước lớn hơn 30 nm. Đối với hệ CoFe2O4, thực nghiệm cho thấy

SLP suy giảm khi D tăng ở vùng kích thước D > 28 nm. Do vùng kích thước hạt

ferit cô ban chế tạo còn quá cao nên chưa thể so sánh các đặc trưng thực nghiệm với

lý thuyết.

Về ảnh hưởng độ nhớt chất lỏng từ, SLP của hệ MnFe2O4 thay đổi không

đáng kể theo độ nhớt trong khi SLP của hệ CoFe2O4 suy giảm rất mạnh theo chiều

tăng của độ nhớt chất lỏng từ. Các kết quả thực nghiệm của hai hệ chất lỏng từ có

giá trị K thấp và K cao liên quan đến độ nhớt đều cho thấy vai trò của độ nhớt và dị

hướng từ trong sự cạnh tranh của tổn hao hồi phục Néel và tổn hao hồi phục Brown.

Các hệ hạt K thấp không phụ thuộc độ nhớt do tổn hao hồi phục Néel chiếm ưu thế.

Việc tổn hao hồi phục Brown chiếm ưu thế đối với các hệ hạt K cao là nguyên nhân

dẫn đến việc SLP suy giảm theo độ nhớt.

Tuy nhiên, trong một vài trường hợp có độ vênh về giá trị tuyệt đối của đại

lượng công suất đốt nóng (các giá trị thực nghiệm nhỏ hơn hay lớn hơn giá trị lý

thuyết). Nguyên nhân có thể là do sự kết đám của các hạt nano từ trong chất lỏng từ,

đặc biệt khi độ nhớt tăng; từ đó dẫn đến thay đổi đường kính động học, tham số từ

độ bão hòa hòa, dị hướng từ v…v..

Kết quả chung là lý thuyết LRT mô tả khá tốt các biểu hiện thực nghiệm đối

với hệ hạt nano từ MnFe2O4. Riêng với hệ hạt nano từ CoFe2O4, tham số ξ có giá

121

trị xấp xĩ 1 nên mô hình LRT cần được kết hợp mô hình SWMBTs để biện luận khi

nghiên cứu hiệu ứng hiệu ứng MIH đối với hệ này.

122

KẾT LUẬN CHUNG

Kết quả tính toán hiệu ứng MIH theo mô hình lý thuyết LRT khẳng

định:

1. Tồn tại 3 vùng kích thước: vùng I tổn hao Néel chiếm ưu thế (D <

DN), vùng III tổn hao Brown chiếm ưu thế (D > DB) và vùng II đóng

góp đồng thời của hai quá trình tổn hao hồi phục này (DB ≤ D ≤ DN).

2. Phân loại vật liệu hạt nano từ thành hai nhóm tùy vào thông số dị

hướng từ: nhóm A có giá trị K < KC và nhóm B có giá trị K ≥ KC.

• Đối với các hệ chất lỏng của hạt từ nhóm B: SLP(D) dạng

hình “chuông”, giá trị ∆Dcp lớn, SLPmax suy giảm chậm theo

phân bố kích thước hạt và phụ thuộc độ nhớt. Với hạt từ nhóm

B này có thể xem tổn hao Brown chiếm ưu thế tuyệt đối.

• Đối với các hệ chất lỏng của hạt từ nhóm A: SLP(D) dạng

hình “nhọn”, giá trị ∆Dcp nhỏ, SLPmax suy giảm nhanh theo

phân bố kích thước hạt và không phụ thuộc độ nhớt. Với hạt

từ nhóm A, tổn hao Neel chiếm ưu thế tuyệt đối chỉ ở vùng K

<< KC, sau đó đóng góp của tổn hao Brown tăng dần cho đến

điểm K=KC.

3. Giá trị KC phụ thuộc vào tần số theo hàm mũ và vào độ độ nhớt của

chất lỏng từ theo hàm tuyến tính.

Thực nghiệm trên hai hệ mẫu hạt nano từ MnFe2O4 và CoFe2O4 để

kiểm nghiệm mô hình lý thuyết khi khảo sát ảnh hưởng của từ trường đo, kích

thước hạt và độ nhớt lên tham số SLP cho thấy

4. Mô hình lý thuyết LRT phù hợp với các kết quả thực nghiệm trong

từ trường đo và lực kháng từ của mẫu thỏa mãn điều kiện ξ <1. Giá

trị SAR phụ thuộc vào cường độ từ trường theo hàm bậc hai và phụ

thuộc vào tần số theo hàm tuyến tính. Giá trị SAR của chất lòng từ

123

MnFe2O4 đạt giá trị tối ưu khi Dcp = 27 nm. Kết quả thực nghiệm cho

thấy có sự khác nhau căn bản trong biểu hiện hiệu năng đốt nóng

cảm ứng từ của hạt nano từ nhóm A (K thấp) và nhóm B (K cao).

124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. P. T. Phong, L. H. Nguyen, L. T. H. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh, I. –J. Lee,

N. X. Phuc, “Study of specific loss power of magnetic fluids with various

viscosities”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 428 (2017) 36

2. P. T. Phong, L. H. Nguyen, I. –J. Lee, N. X. Phuc, “Computer Simulations of

Contributions of Néel and Brown Relaxation to Specific Loss Power of

Magnetic Fluids in Hyperthermia”, Journal of Electronic Materials 46 (2017)

2393.

3. L. H. Nguyen, P. T. Phong, D. H. Manh, N. X. Phuc, “Tính toán công suất đốt

từ phụ thuộc vào kích thước của các hệ hạt nano từ cấu trúc spinel MFe2O4

(M=Fe, Mn, Co)”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 52(3B) (2014) 74.

4. L. H. Nguyen, P. Q. Thong, P. H. Nam, L. T. H. Phong, P. T. Phong, N. X.

Phuc, “Influence of saturation magnetization and viscosity on specific loss

power for CoFe2O

4 and MnFe

2O

4 magnetic nanoparticles”, Vietnam Journal

of Science and Technology 54(1A) (2016) 33.

5. L. H. Nguyen, P. T. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh, N. X. Phuc, “Influence of

particle size distribution on specific loss power of magnetic nanoparticle”,

Vietnam Journal of Science and Technology 56(1A) (2018) 79.

6. L. H. Nguyen, P. T. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh, N. T. K. Thanh, L. D.

Tung, N. X. Phuc, “How to distinguish a domination of Néel or Brown

relaxation contribution to loss power of magnetic inductive heating?”,

Proceedings of MSSM2018 (07-10 Aug 2018, UWS, Paisley, UK), ISBN

9781903978634, pp.188-193.

125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. P. T. Phong, D. H. Manh, L. H. Nguyen, D. K. Tung, N. X. Phuc, I. –J. Lee,

“Studies of superspin glass state and AC-losses in La0.7Sr0.3MnO3

nanoparticles obtained by high-energy ball-milling”, Journal of Magnetism

and Magnetic Materials 368 (2014) 240.

2. L. H. Nguyen, P. T. Phong, D. K. Tung, L. T. H. Phong, P. H. Nam, D. H.

Manh, N. X. Phuc, “Specific loss power of Fe0.65Co0.35 magnetic

nanoparticle”, The 7th International Workshop on ADVANCED

MATERIALS SCIENCE AND NANOTECHNOLOGY, 2014, Thành phố Hạ

Long

3. L. H. Nguyen, P. T. Phong, D. H. Manh, N. X. Phuc, “Tính toán công suất đốt

từ phụ thuộc vào kích thước của các hệ hạt nano từ cấu trúc spinel MFe2O4

(M=Fe, Mn, Co)”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu lần thứ 8,

2013, Thành phố Thái Nguyên.

4. L. H. Nguyen, P. Q. Thong, P. H. Nam, L. T. H. Phong, P. T. Phong, N. X.

Phuc, “Ảnh hưởng của từ độ bão hòa và độ nhớt đến công suất đốt từ của hai

hệ hạt nano từ CoFe2O4 và MnFe2O4”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học

vật liệu lần thứ 9, 2015, Thành phố Hồ Chí Minh.

5. L. H. Nguyen, P. T. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh, N. X. Phuc, “Influence of

particle size distribution on specific loss power of magnetic nanoparticle”,

Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu lần thứ 10, 2017, Thành phố

Huế.

126

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Q. A.Pankhurst, J. Connolly, S. K. Jones, and J. Dobson, Applications of

magnetic nanoparticles in biomedicine”, Journal of Physics D: Applied

Physics, 2003, 36, 167-181.

[2] N. T. K. Thanh, Magnetic nanoparticles: From fabrication to clinical

applications, CRC Press, 2012, UK.

[3] A. E. Deatsch, B. A. Evans, Heating efficiency in magnetic nanoparticle

hyperthermia, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2014, 354,

163-172.

[4] A. Akbarzadeh, M. Samiei, S. Davaran, Magnetic nanoparticles:

preparation, physical properties, and applications in biomedicine,

Nanoscale Research Letters, 2012, 7, 144-156.

[5] C. S. S. R. Kumar, F. Mohammad, Magnetic nanomaterials for

hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery, Advanced Drug

Delivery Reviews, 2011, 63, 789-808.

[6] I. M. Obaidat, B. Issa and Y. Haik, Magnetic Properties of Magnetic

Nanoparticles for Efficient Hyperthermia, Nanomaterials, 2015, 5, 63-89.

[7] Z. Hedayatnasab, F. Abnisa, W. M. A. W. Daud, Review on magnetic

nanoparticles for magnetic nanofluid hyperthermia application, Materials &

Design, 2017, 123, 174-196.

[8] M. L. Etheridge, Y. Xu, L. Rott, J. Choi, B. Glasmcher, C. John and R. F.

Bischof, Heating of magnetic nanoparticles improves the thawing of

cryopreserved biomaterials, Technology, 2014, 2, 229-242.

[9] S. Zinn and S. L. Semiatin, Elements of Induction Heating: Design, Control,

and Applications, ASM International, 1988, USA

[10] Y. Lv, Study of Dielectric Breakdown Performance of Transformer Oil Based

Magnetic Nanofluids, Energies, 2017, 10(7), 1025.

[11] S. Ayyappan, S. Mahadevan, P. Chandramohan, M. P.Srinivasan, P. John, R.

Baldev, Influence of Co2+ ion concentration on the size, magnetic properties,

127

and purity of CoFe2O4 spinel ferrite nanoparticles, The Journal of Physical

Chemistry C, 2010, 114, 6334-6341.

[12] K. Y. Il, K. Don, L. C. Sub, Synthesis and characterization of CoFe2O4

magnetic nanoparticles prepared by temperaturecontrolled coprecipitation

method, Physica B: Condensed Matter, 2003, 337, 42-51.

[13] W. Zhongli, L. Xiaojuan, M. Lv, C. Ping, L. Yao, Z. Xianfeng, M. Jian,

Preparation of one-dimensional CoFe2O4 nanostructures and their magnetic

properties, The Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112, 15171-15175.

[14] W. Zhongli, L. Xiaojuan, L. Minfeng, C. Ping, L. Yao, M. Jian, Preparation

of Ferrite MFe2O4 (M = Co, Ni) Ribbons with Nanoporous Structure and

Their Magnetic Properties, The Journal of Physical Chemistry B, 2008, 112,

11292-11297.

[15] Liu Qi, Sun Jianhua, Long Hongren, Sun Xiaoqiang, Zhong Xiangjin, Xu

Zheng, Hydrothermal synthesis of CoFe2O4 nanoplatelets and nanoparticles",

Materials Chemistry and Physics, 2008, 108, 269-273.

[16] Puntes Victor F., Krishnan Kannan M., Alivisatos Paul, Synthesis,

selfassembly, and magnetic behavior of a two-dimensional superlattice of

single-crystal ε-Co nanoparticles, Applied physics letters, 2001, 78, 2187-

2189.

[17] Lu Yu, Lu Xianmao, Mayers Brian T., Herricks Thurston, Xia Younan,

Synthesis and characterization of magnetic Co nanoparticles: A comparison

study of three different apping surfactants, Journal of Solid State Chemistry,

2008, 181, 1530-1538.

[18] S.Yáñez-Vilar, M. Sánchez-Andújar, C. Gómez-Aguirre, J. Mira, M. A.

Señarís-Rodríguez, S. Castro-García, (), "A simple solvothermal synthesis of

MFe2O4 (M=Mn, Co and Ni) nanoparticles.", Journal of Solid State

Chemistry, 2009, 182, 2685-2690.

[19] R. E. Rosensweig, Heating magnetic fluid with alternating magnetic field,

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, 252, 370-374.

128

[20] S. Maenosono and S. Saita, Theoretical Assessment of FePt Nanoparticles as

Heating Elements for Magnetic Hyperthermia, IEEE Transcation on

Magnetics, 2006, 42, 1638-1642.

[21] A. H. Habib, C.L. Ondeck, P. Chaudhary, M.R. Bockstaller, and M.E.

McHenry, Evaluation of iron-cobalt/ferrite core-shell nanoparticles for

cancer thermotherapy, Journal of Applied Physics, 2008, 103, 07A307(3).

[22] J.-P. Fortin, C. Wilhelm, J. Servais, C. Menager, J.-C. Bacri, and F. Gazeau,

Size-Sorted Anionic Iron Oxide Nanomagnets as Colloidal Mediators for

Magnetic Hyperthermia, Journal of the American Chemical Society, 2007,

129, 2628-2635.

[23] J. P. Fortin, F. Gazeau, C. Wilhelm, Intracellular heating of living cells

through Néel relaxation of magnetic nanoparticles, Europan Biophysics

Journal, 2008, 37, 223-228.

[24] D. K. Tung , D. H. Manh, L.T.H. Phong, P.H. Nam, D. N. H. Nam, N.T.N.

Anh, H. T. T. Nong, M.H. Phan, and N.X. Phuc; Iron Nanoparticles

Fabricated by High-Energy Ball Milling for Magnetic Hyperthermia, Journal

of Electronic Materials, 2016, 45, 2644-2650.

[25] P. H. Linh, P.V. Thach, N.A. Tuan, N.C. Thuan, D.H. Manh, P.N.X. Phuc,

L.V. Hong, Magnetic fluid based on Fe3O4 nanoparticles: preparation and

hyperthermia application, Journal of Physics: Conference Series, 2009, 187,

012069.

[26] P. T. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh, D.K. Tung, In-Ja Lee, N.X. Phuc,

Studies of the Magnetic Properties and Specific Absorption of

Mn0.3Zn0.7Fe2O4 Nanoparticles, Journal of Electronic Materials, 2015, 44,

287-294.

[27] P. T. Phong , P. H. Nam , D. H. Manh, In-Ja Lee, Mn0.5Zn0.5Fe2O4

nanoparticles with high intrinsic loss power for hyperthermia therapy;

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 433, 76–83.

[28] D. H. Manh, P. T. Phong , P. H. Nam , D. K. Tung , N. X. Phuc, In-Ja Lee,

Structural and magnetic study of La0.7Sr0.3MnO3 nanoparticles and AC

129

magnetic heating characteristics for hyperthermia applications, Physica B,

2014, 444, 94–102.

[29] P.T. Phong , D.H. Manh , L. H. Nguyen, D. K. Tung , N.X. Phuc , I.-J. Lee ;

Studies of superspin glass state and AC-losses in La0.7Sr0.3MnO3

nanoparticles obtained by high-energy ball-milling; Journal of Magnetism

and Magnetic Materials, 2014, 368, 240–245.

[30] L. T. Tai, H. P. Thu, T. D. Lam, D. H. Manh, M. T. T. Trang, P. H. Nam, P.

T. B. Hoa, P. T. H. Giang, H. T. M. Nhung, N. T. Quy, and N. X. Phuc,

Design of carboxylated Fe3O4/poly(styrene-co-acrylic acid) ferrofluids with

highly efficient magnetic heating effect, Colloids and Surfaces A:

Physicochemical and Engineering Aspects, 2011, 384, 23-30.

[31] M. T. T. Trang, L. T. H. Phong, P. H. Nam, D. H. Manh and N. X. Phuc,

Synthesis and magnetic heating characteristics of thermoresponsive poly

(Nisopropylacrylamide-co-acrylic acid)/nano Fe3O4 nanparticles, Advances

in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2014, 5, 045007(7).

[32] N. Kikukawa, M. Takemori, Y. Nagano, M. Sugasawa , and S. Kobayashi,

Synthesis and magnetic properties of nanostructured spinel ferrites using a

glycine-nitrate process, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,

2004, 284, 206-214.

[33] S. Kobayashi, N. Kikukawa, M. Sugasawa, and I. Yamaura, “Method for

regenerating adsorbent by heating”, USA Patent Application Publication,

2005, WO 03/080237 A1.

[34] S. A. Stanley, J. E. Gagner, S. Damanpour, M. Yoshida, J. S. Dordick, J. M.

Friedman, Radio-Wave Heating of Iron Oxide Nanoparticles Can Regulate

Plasma Glucose in Mice, Science, 2012, 336, 604-608.

[35] P. H. Nam, P. T. H. Giang, N. D. Tu, P. Q. Thong, L. T. T. Huong, H. P.

Thu, D. H. Manh, H. T. M. Nhung and N. X. Phuc, Magnetic inductive

heating of organs of mouse models treated by copolymer coated Fe3O4

nanoparticles, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and

Nanotechnology, 2017, 8, 025013(10).

130

[36] Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials, Wiley-IEEE,

2008, New York.

[37] R. A. McCurrie, Ferromagnetic Materials. Structure and Properties,

Academic Press, 1994, San Diego.

[38] S. Morup and E. Tronc, Superparamagnetic relaxation of weakly interacting

particles, Physical Review Letters, 1994, 72, 3278-3281.

[39] Nguyễn Hữu Đức, Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, Nhà xuất

bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2008, Việt Nam.

[40] L. Néel, Theorie du trainage magnetique des ferromagnetiques en grains fins

avec applications aux terres cuites, Annals of Geophysics, 1949, 5, 99.

[41] W. F. Brown, Thermal fluctuations of a single-domain particle, Physical

Review, 1963, 130, 1677.

[42] X. X. Zhang, G. H. Wen, X. Gang, and S. Shouheng, Magnetic relaxation of

diluted and self-assembled cobalt nanocrystals, Journal of Magnetism and

Magnetic Materials, 2003, 261, 21-28.

[43] Robert C. O'Handley, Modern magnetic materials, A John Wiley & Sons,

Inc., 2000, New York.

[44] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài, Từ học và vật liệu từ, Nhà xuất bản Bách

khoa Hà Nội, 2008, Việt Nam.

[45] D. A. Garanin and H. Kachkachi, Surface contribution to the anisotropy of

magnetic nanoparticles, Physical Review Letters, 2003, 90, 65504.

[46] F. Bodker, S.Morup and S. Linderoth, Surface effects in metallic iron

nanoparticles, Physical Review Letters, 1994, 72, 282.

[47] B. J. Hickey, M. A. Howson, D. Greig and N. Wiser, Enhanced magnetic

anisotropy energy density for superparamagnetic particles of cobalt, Physical

Review B, 1996, 53, 32.

[48] M. Thakur, K. De, S. Giri, S.Si, A. Kotal and T. K. Mandal, Interparticle

interaction and size effect in polymer coated magnetite nanoparticles,

Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18, 9093.

131

[49] E. Tronc, A. Ezzir, R. Cherkaoui, C. Chanéac, M. Noguès, H. Kachkachi, D.

Fiorani, A. M. Testa, J. M. Grenèche and J. P. Jolivet, Surface-related

properties of γ-Fe2O3 nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2000, 221, 63.

[50] Lê Viết Báu, Ảnh hưởng của việc thay thế một số nguyên tố cho Mn lên tính

chất điện-từ của perovskite (La, Sr)MnO3, Luận án Tiến sỹ khoa học vật liệu,

Viện Khoa học Vật liệu, 2007, Hà Nội.

[51] P. A. Lindgard and P. V.Hendriksen, Estimation of electronic and structural

influence on the thermal magnetic properties of clusters, Physical Review B,

1994, 49, 12291.

[52] J. P. Chen, C. M.Sorensen, K. J.Klabunde and G. C.Hadjipanayis, Magnetic

properties of nanophase cobalt particles synthesized in inversed micelles,

Journal of Applied Physics, 1994, 76, 6316.

[53] J. Carrey, B. Mehdaoui, M. Respaud, Simple models for dynamic hysteresis

loops calculation: Application to hyperthermia optimization, Journal of

Applied Physics, 2011, 109, 083921.

[54] M. G. Lozinskii, Industrial Applications of Induction Heating, Pergamon

Press, 1969, New York.

[55] P. R. Stauffer, T. C. Cetas, and R. C. Jones, Magnetic Induction Heating of

Ferromagnetic Implants for Inducing Localized Hyperthermia in Deep-

Seated Tumors, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1984, BME-

31, 235-251.

[56] D. A. Jones, T. P. Lelyveld, S. D. Mavrofidis, S. W. Kingman, N. J. Miles,

Microwave heating applications in environmental engineering—a review;

Resources, Conservation and Recycling, 2002, 34, 75–90.

[57] R. W. Rand, H. D. Snow, D.G. Elliott, G.M. Haskins, Induction heating

method for use in causing necrosis of neoplasm, US Patent Specification,

1985, 4, 545, 368.

[58] N. X. Phuc, H. Yen, B. H. Linh, N. A. Tuan, N. C. Thuan, L. V. Hong, D. C.

Thang, H. V. Thanh, D. T. Phuong and V. A. Tuan, Investigations of (Mn-

132

Zn) spinel ferrite nanoparticles and application in voc desorption by

magnetic heating, Advanced Materials Research, Proceedings Hội nghị Công

nghệ Nano và Ứng dụng IWNA 2007, Vũng Tàu, 2008, 55-57, 27-32.

[59] A. Ito, H. Honda, T. Kobayashi, Cancer immnotherapy based on intracellular

hyperthermia using magnetite nanoparticles: a novel concept of “heat-

controlled necrosis” with heat shock protein expression, Cancer

Immunology, Immunotherapy, 2006, 55, 320–328.

[60] A. M. Derfus, G. V. Maltzahn, T. J. Harris, T. Duza, K. S. Vecchio, E.

Ruoslahti, S. N. Bhatia, Remotely triggered release from magnetic

nanoparticles, Advanced Materials, 2007, 19, 3932–3936.

[61] S. C. Brazel, Magnetothermally-responsive nanomaterials: combining

magnetic nanostructures and thermally-sensitive polymers for triggered drug

release, Pharmaceutical Research, 2009, 26, 644–656.

[62] R. K. Gilchrist, R. Medal, W. D. Shorey, R. C. Hanselman, J. C. Parrott, and

C. B. Taylor, Selective inductive heating of lymph nodes, Annals of surgery,

1957, 146, 596-606.

[63] A. Ito, M. Shinkai, H. Honda, T. Kobayashi, Medical application of

functionalized magnetic nanoparticles, Journal of Bioscience

Bioengineering, 2005, 100, 1–11.

[64] I. Brigger, C. Dubernet, P. Couvreur, Nanoparticles in cancer therapy

anddiagnosis, Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54, 631–651.

[65] D. Bahadur, J. Giri, Biomaterials and magnetism, Sadhana, 2003, 28, 639–

656.

[66] M. Faraji, Y. Yamini, M. Rezaee, Magnetic nanoparticles: synthesis,

stabilization, functionalization, characterization, and applications, Journal of

the Iranian Chemical Society, 2010, 7, 1–37

[67] G. M. Whitesides, The ‘right’ size in nanobiotechnology, Nature

Biotechnology, 2003, 21, 1161–1165.

[68] L. Zonghuan, P. D. Malcolm, G. Zhanhu, G. O. Vladimir, C. S. S. R. Kumar,

L. M. Yuri, Magnetic switch of permeability for polyelectrolyte

133

Microcapsules Embedded with Co@Au Nanoparticles, Langmuir, 2005, 21,

2042-2050.

[69] M. Cobianchi, A. Guerrini, M. Avolio, C. Innocenti, M. Corti, P. Arosio, F.

Orsini4, C. Sangregorio and A. Lascialfari, Experimental determination of

the frequency and field dependence of Specific Loss Power in Magnetic

Fluid Hyperthermia, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017,

444, 154.

[70] R. Hergt, W. Andra, C. G. d'Ambly, I. Hilger, W. A. Kaiser, U. Richter, and

H. G. Schmidt, Physical limits of hyperthermia usingmagnetite fine particles,

IEEE Transaction Magnetics, 1998, 34, 3745-54.

[71] E. C. Stoner and E. P. Wohlfarth, A mechanism of magnetic hysteresis in

heterogeneous alloys, Philosophical Transactions of the Royal Society A,

1948, 240, 599.

[72] S. Dutz, R. Hergt, J. Murbe , R. Muller, M. Zeisberger, W. Andra, J. Topfer,

and M. E. Bellemann, , Hysteresis losses of magnetic nanoparticle powders

in the single domain size range, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2007,308, 305-312.

[73] R. Hergt, S. Dutz, R. Muller, and M. Zeisberger, Magnetic particle

hyperthermia: nanoparticle magnetism and materials development for cancer

therapy, Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18, 2919-2934.

[74] A. Brezovich, Low frequency hyperthermia: capacitive and ferromagnetic

thermoseed methods, Medical Physics Monograph, 1988, 82–111.

[75] Y. Iqbal, H. Bae, I. Rhee, and S. Hong, Magnetic heating of silica-coated

manganese ferrite nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2016, 409, 80-86.

[76] H. Chiriac, T. Petreus, E. Carasevici, L. Labusca, D.-D. Herea, C. Danceanu,

and N. Lupu, In vitro cytotoxicity of Fe–Cr–Nb–B magnetic nanoparticles

under high frequency electromagnetic field, Journal of Magnetism and

Magnetic Materials, 2015, 380, 13-19.

134

[77] A. B. Salunkhe, V. M. Khot, J. M., Ruso, and S. I. Patil, Water dispersible

superparamagnetic Cobalt iron oxide nanoparticles for magnetic fluid

hyperthermia, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2016, 419,

533-542.

[78] B. B. Lahiri, T. Muthukumaran, and J. Philip, Magnetic hyperthermia in

phosphate coated iron oxide nanofluids, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2016, 407, 101-113.

[79] X. Wang, J. Zhou, B. Chen, Z. Tang, J. Zhang, L. Li, and J. Tang, "Enhanced

Intracellular Hyperthermia Efficiency by Magnetic Nanoparticles Modified

with Nucleus and Mitochondria Targeting Peptides, Journal of Nanoscience

and Nanotechnology, 2016, 16(6), 6560-6566.

[80] M. M. Saldivar-Ramirez, C. G. Sanchez-Torres, D. A. Cortes-Hernandez, J.

C. Escobedo-Bocardo, J. M. Almanza-Robles, A. Larson, P. J. Resendiz-

Hernandez, and I. O. Acuna-Gutierrez, Study on the efficiency of nanosized

magnetite and mixed ferrites in magnetic hyperthermia, Journal of Materials

Science: Materials in Medicine, 2014, 25(10), 2229-2236.

[81] K. McBride, J. Cook, S. Gray, S. Felton, L. Stella, and D. Poulidi, Evaluation

of La1-xSrxMnO3 (0 ≤ x < 0.4) synthesised via a modified sol-gel method as

mediators for magnetic fluid hyperthermia, CrystEngComm, 2016, 18(3),

407-416.

[82] E. Fantechi, C. Innocenti, M. Albino, E. Lottini, and C. Sangregorio,

Influence of cobalt doping on the hyperthermic efficiency of magnetite

nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 380,

365-371.

[83] O. Celik, M. M. Can, and T. Firat, Size dependent heating ability of CoFe2O4

nanoparticles in ac magnetic field for magnetic nanofluid hyperthermia,

Journal of Nanoparticle Research, 2014, 16(3), 2321.

[84] A. K. Guptaa, M. Guptab, Synthesis and surface engineering of iron oxide

nanoparticles for biomedical applications, Biomaterials, 2005, 26, 3995.

135

[85] O. Iglesias and A. Labarta, Finite-size and surface effects in maghemite

nanoparticles: Monte Carlo simulations, Physical Review B, 2001, 63,

184416/1 - 184416/11.

[86] G. F. Goya, T. S. Berquo, F. C. Fonseca, Static and dynamic magnetic

properties of spherical magnetite nanoparticles, Journal of Applied Physics,

2003, 94, 3520-3525.

[87] S. Gangopadhyay, G. C. Hadjipanayis, B. Dale, C. M. Sorensen, K. J.

Klabunde, V. Papaefthymiou, A. Kostikas, C. Hu, Magnetic properties

ofultrafine iron particles", Physical Review B, 1992, 45, 9778.

[88] R. H. Kodama, S. A. Makhlouf, A. E. Berkowitz, Finite size effects in

antiferromagnetic NiO nanoparticles, Physical Review Letters, 1997, 79,

1393-1396.

[89] J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials, Cambridge University

Press, 2010, New York.

[90] J. Park, E. Lee, N.-M. Hwang, M. Kang, S. C. Kim, Y. Hwang, J.-G. Park,

H.-J. Noh, J.-Y. Kim, J.-H. Park, and T. Hyeon, One-Nanometer-Scale Size-

Controlled Synthesis of Monodisperse Magnetic Iron Oxide Nanoparticles,

Angewandte Chemie, 2005, 117, 2932 –2937

[91] H. Khurshid, J. Alonso, Z. Nemati, M. H. Phan, P. Mukherjee, M. L. Fdez-

Gubieda, J. M. Barandiarán, and H. Srikanth, Anisotropy effects in magnetic

hyperthermia: A comparison between spherical and cubic exchange-coupled

FeO/Fe3O4 nanoparticles, Journal of Applied Physics, 2015, 117, 17A337.

[92] V. T. K. Oanh, T. D. Lam, L. T. Lu, P. D. Viet, P. H. Nam, N. T. H. Le, D.

H. Manh, N. X. Phuc, Synthesis of highmagnetization and monodisperse

Fe3O4 nanoparticles via thermal decomposition, Materials Chemistry and

Physics, 2015, 163, 537-544.

[93] M. A. Gonzalez-Fernandez, T. E. Torres, M. Andres-Verges, R. Costo, P.

dela Presa, C. J. Serna, M. P. Morales, C. Marquina, M. R. Ibarra , G. F.

Goya, Magnetic nanoparticles for power absorption: Optimizing size, shape

and magnetic properties, Journal of Solid State Chemistry, 2009, 182, 2779.

136

[94] M. Jeun, Y. J. Kim, K. H. Park, S. H. Paek, and S. Bae, Physical

Contribution of Néel and Brown Relaxation to Interpreting Intracellular

Hyperthermia Characteristics Using Superparamagnetic Nanofluids, Journal

of Nanoscience and Nanotechnology, 2013, 13, 5719.

[95] D. H. Manh, P. T. Phong , P.H. Nam , D. K. Tung, N.X. Phuc , In-Ja Lee,

Structural and magnetic study of La0.7Sr0.3MnO3 nanoparticles and AC

magnetic heating characteristics for hyperthermia applications; Physica B,

2014, 444, 94–102.

[96] P.T. Phong , P.H. Nam , D.H. Manh, In-Ja Lee, Mn0.5Zn0.5Fe2O4

nanoparticles with high intrinsic loss power for hyperthermia therapy,

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 433, 76–83

[97] Y. Raikher, V. Stepanov, Dynamic hysteresis of a superparamagnetic

nanoparticle at low-to-intermediate frequencies, Journal of Magnetism and

Magnetic Materials, 2006, 300, e311-e314.

[98] (a) J. P. Hornak, The basics of MRI, Henietta, 1996-2008, New York (b) W.

Faulkner, E. Seeram, Rad Tech's Guide to MRI: Basic Physics,

Instrumentation, and Quality Control, Wiley-Blackwell, 2001, USA.

[99] R. Hergt, R. Hiergeist, I. Hilger, W. A. Kaiser, Y. Lapatnikov, S. Margel, U.

Richter, Maghemite nanoparticles with very high AC-losses for application

in RF-magnetic hyperthermia. Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2004, 270, 345-357.

[100] L.-M. Lacroix, J. Carrey, M. Respaud, A frequency-adjustable electromagnet

for hyperthermia measurements on magnetic nanoparticles, Review of

Scientific Instruments, 2008, 79, 093909.

[101] S. Mornet, S. Vasseur, F. Grasset, E. Duguet, Magnetic nanoparticle design

for medical diagnosis and therapy, Journal of Material Chemistry, 2004, 14,

2161-2175.

[102] S. V. Jadhav, B. M. Kim, H. Y. Lee, I. C. Im, A. A. Rokade, S. S. Park, M.

P. Patil, G. D. Kim, Y. S. Yu, S.H. Lee, Induction heating and in vitro

cytotoxicity studies of MnZnFe2O4 nanoparticles for self-controlled magnetic

137

particle hyperthermia, Journal of Alloys and Compounds, 2018, 745, 282–

291.

[103] P. T. Phong, N. X. Phuc, P. H. Nam, N. V. Chien, D. D. Dung, P. H. Linh,

Size-controlled heating ability of CoFe2O4 nanoparticles for hyperthermia

applications, Physica B: Condensed Matte, 2018, 531, 30–34.

[104] P. H. Nam, N. X. Phuc, P. H. Linh, L. T. Lu, D. H. Manh, P. T. Phong, In-Ja

Lee, Effect of zinc on structure, optical and magnetic properties and

magnetic heating efficiency of Mn1-xZnxFe2O4 nanoparticles, Physica B:

Physics of Condensed Matter, 2018, 550, 428-435.

[105] A. S. Khan, M. F. Nasir, A. Humayun, Magnetic and heating properties of

La1-xSrxMnO3 (x = 0.27 & 0.33) mediators coated by Sodium Oleate for

magnetic fluid Hyperthermia applications, Physica B: Physics of Condensed

Matter, 2018, 550, 1-8.

[106] B. Mehdaoui, A. Meffre, L.-M. Lacroix, J. Carrey, S. Lachaize, M. Respaud,

M. Gougeon, B. Chaudret, Record heating in magnetic hyperthermia of

metallic iron nanocubes and way for further improvements, 2009,

arxiv.org/pdf/0907.4063.

[107] a) M. Pavel, G. Gradinariu, A. Stancu, Study of the optimum dose of

ferromagnetic nanoparticles suitable for cancer therapy using MFH, IEEE

Transactions on Magnetics, 2008, 44, 3205-3208. (b) C. Zhang, D. Johnson,

C. Brazel, Numerical study on the multi-region bioheat equation to model

magnetic fluid hyperthermia (MFH) using low curie temperature

nanoparticles, IEEE Transactions on NanoBioscience, 2008, 7, 267-275.

[108] K. M. Krishnan, Biomedical nanomagnetics: a spin through possibilities in

imaging, diagnostics, and therapy, IEEE Transactions on Magnetics, 2010,

46, 2523–2558.

[109] Phạm Hồng Nam (2018), Nghiên cứu các cơ chế đốt nóng từ trong hệ hạt

nano ferrite spinel M1-xZnxFe2O4 (M = Co, Mn), Luận án Tiến sĩ Khoa học

Vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Hà Nội.

138

[110] D. H. Manh, D. K. Tung, D. N. H. Nam, L. V. Hong, P. T. Phong and N. X.

Phuc, Magnetic Properties of Annealed Fe65Co35 Powders Prepared By

Mechanical Alloying, IEEE Transaction on Magnetics, 2014, 50, 2005104.

[111] S. Purushotham and R.V. Ramanujan, Modeling the performance of

magnetic nanoparticles in multimodal cancer therapy, Journal of Applied

Physics, 2010, 107, 114701.

[112] N. M. Ha, D. H. Manh, L.V. Hong, N.X. Phuc, and Y. D. Yao, Interacting

Superparamagnetism in La0.7Sr0.3MnO3 Nanoparticles, Journal of Korean

Physics Society, 2008, 2, 1447-1451.

[113] J. H. Lee, J. T. Jang, J. S. Choi, S. H. Moon, S. H. Noh, J. W. Kim, J. G.

Kim, I. S. Kim, K. I. Park, and J. Cheon, Exchange-coupled magnetic

nanoparticles for efficient heat induction, Nature Nanotechnology, 2011, 6,

418-422.

[114] A. Urtizberea, E. Natividad, A. Arizaga, M. Castro, A. Mediano, Specific

absorption rates and magnetic properties of ferrofluids with interaction

effects at low concentrations, Journal of Physcial Chemitry C, 2010, 114

4916–4922.

[115] Y. Pineiro-Redondo, M. Banobre-Lopez, I. Pardinas-Blanco, G. Goya, M.

Arturo Lopez-Quintela, J. Rivas, The influence of colloidal parameters on

the specific power absorption of PAA-coated magnetite nanoparticles,

Nanoscale Research Letter, 2011, 6, 383.

[116] X. M. Wang, H. C. Gu, Z. Q. Yang, The heating effect of magnetic fluids in

an alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,

2005, 293, 334–340.

[117] K. D. Bakoglidis, K. Simeonidis, D. Sakellari, G. Stefanou, M. Angelakeris,

Size dependent mechanisms in AC magnetic hyperthermia response of iron-

oxide nanoparticles, IEEE Transcation on Magnetics, 2012, 48, 1320–1323.

[118] A. S. Eggeman, S.A. Majetich, D. Farrell, Q.A. Pankhurst, Size and

concentration effects on high frequency hysteresis of iron oxide

nanoparticles, IEEE Transcation on Magnetics, 2007, 43, 2451–2453

139

[119] C. L. Dennis, A. J. Jackson, J. A. Borchers, R. Ivkov, A. R. Foreman, J. W.

Lau, E. Goernitz, C. Gruettner, The influence of collective behavior on the

magnetic and heating properties of iron oxide nanoparticles, JOURNAL OF

APPLIED PHYSICS, 2008, 103, 3.

[120] M. A. Verges, R. Costo, A. G. Roca, J. F. Marco, G. F. Goya, C. J. Serna, M.

P. Morales, Uniform and water stable magnetite nanoparticles with diameters

around the monodomain-multidomain limit, Journal of Physics D: Applied

Physics, 2008, 41, 134003.

[121] P. de la Presa, Y. Luengo, M. Multigner, R. Costo, M. P. Morales, G. Rivero,

A. Hernando, Study of heating efficiency as a function of concentration, size,

and applied field in gamma-Fe2O3 nanoparticles, Journal of Physics

Chemistry C, 2012, 116, 25602–25610.

[122] R. Hergt and S. Dutz, Magnetic particle hyperthermia—biophysical

limitations of a visionary tumour therapy, Journal of Magnetism and

Magnetic Materials, 2007, 311, 187

[123] P. Moroz, S. K. Jones, B. N. Gray, Magnetically mediated hyperthermia:

current status and future directions, International Journal of Hyperthermia,

2002, 18, 267–284.

[124] E. Kita, T. Oda, T. Kayano, S. Sato, M. Minagawa, H. Yanagihara, M.

Kishimoto, C. Mitsumata, S. Hashimoto, K. Yamada, Ferromagnetic

nanoparticles for magnetic hyperthermia and thermoablation therapy.

Journal of Physics D, 2010, 43, 474011.

[125] D. S. Nikam, S. V. Jadhav, V. M. Khot, M. R. Phadatare, S. H. Pawar, Study

of AC magnetic heating characteristics of Co0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles for

magnetic hyperthermia therapy, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2014, 349, 208–213

[126] M. Kishimoto, H. Yanagihara, and E. Kita, Dependences of Specific Loss

Power on Magnetic Field and Frequency in Elongated Platelet γ-Fe2O3

Particles Using Hysteresis-Loss Heating, IEEE Transcation on Magnetics,

2013, 49, 4756.

140

[127] R. Hiergeist, W. Andra K , N. Buske, R. Hergt, I. Hilger, U. Richter, W.

Kaiser, Application of magnetite ferrofluids for hyperthermia, Journal of

Magnetism and Magnetic Materials, 1999, 201, 420-422.

[128] C. L. Dennis, A.J. Jackson, J.A. Borchers, P.J. Hoopes, R. Strawbridge, A.R.

Foreman, J. van Lierop, C. Gruettner, R. Ivkov, Nearly complete regression

of tumors via collective behavior of magnetic nanoparticles in hyperthermia,

Nanotechnology, 2009, 20, 395103.

[129] B. Mehdaoui, A. Meffre, L.-M. Lacroix, J. Carrey, S. Lachaize, M. Gougeon,

M. Respaud, B. Chaudret, Large specific absorption rates in the magnetic

hyperthermia properties of metallic iron nanocubes, Journal of Magnetism

and Magnetic Materials, 2010, 322, L49–L52.

[130] P. Pradhan, J. Giri, G. Samanta, H. D. Sarma, K. P. Mishra, J. Bellare, R.

Banerjee, D. Bahadur, Comparative evaluation of heating ability and

biocompatibility of different ferrite-based magnetic fluids for hyperthermia

application, J. Biomed. Mater. Res. Part B – Appl. Biomater., 2007, 81B, 12–

22

[131] D-H Kim, T. Y. Thai, D. E. Nikles, C. S. Brazel, Heating of aqueous

dispersionscontaining MnFe2O4 nanoparticles by radio-frequency magnetic

field induction, IEEE TRANSCATION ON MAGNETICS, 2009, 45, 64–70.

[132] R. Hergt, R. Hiergeist, M. Zeisberger, G. Glockl, W. Weitschies, L.P.

Ramirez, I. Hilger, W.A. Kaiser, Enhancement of AC-losses of magnetic

nanoparticles for heating applications, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials, 2004, 280, 358–368.

[133] D. H. Manh, P. H. Nam, N. V. Chien, P. T. B. Hoa, T. D. Lam, N. A. Tuan,

P. Q. Thong, L. V. Hong and N. X. Phuc, Magnetic heating characteristics of

La0.7SrxCa0.3-xMnO3 nanoparticles fabricated by a high energy mechanical

milling method, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and


http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/2/3/035003

http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/2/3/035003

http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/2/3/035003

141

[134] O. V. Yelenich, S.O. Solopan, T. V. Kolodiazhnyi, V. V. Dzyublyuk, A. I.

Tovstolytkin, and A. G. Belous, Superparamagnetic behavior and AC-losses

in NiFe2O4 nanoparticles, Solid State Sciences, 2013, 20, 115.

[135] Phan Văn Tường, Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, Nhà xuất bản

Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004, Việt Nam.

[136] L. Zhen, K. He, C.Y. Xu, W.Z. Shao, Synthesis and characterization of

single-crystalline MnFe2O4 nanorods via a surfactant-free hydrothermal

route, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2008, 320, 2672.

[137] M.G. Naseri, E.B. Saion, A. Kamali, An Overview on Nanocrystalline

ZnFe2O4, MnFe2O4, and CoFe2O4 Synthesized by a Thermal Treatment

Method, ISRN Nanotechnology, 2012, Article ID 604241, 1.

[138] Đào Trần Cao, Cơ cở Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà

Nội, 2007, Việt Nam.

[139] A. Goldman, Modern Ferrite Technology, Springer, 2005, New York.

[140] A. Yang, C. N. Chinnasamy, J. M. Greneche, Y. Chen, S. D. Yoon, K. Hsu,

C. Vittoria, V. G. Harris, Large tunability of Néel temperature by growth-

rate-induced cation inversion in Mn-ferrite nanoparticles, Applied Physics

Letter, 2009, 94, 113109.

[141] P. J. van der Zaag, V. A. M. Brabers, M. T. Johnson, A. Noordermeer, P. F.

Bongers, Comment on ‘‘Particle-size effects on the value of TC of MnFe2O4:

Evidence for finite-size scaling’’, Physical Review B, 1995, 51, 12009.

[142] B. Aslibeiki, P. Kameli, Magnetic properties of MnFe2O4 nano-aggregates

dispersed in paraffin wax, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,

2015, 385, 308.

[143] M. Akhtar and M. Younas, Structural and transport properties of

nanocrystalline MnFe2O4 synthesized by co-precipitation method, Solid State

Sciences, 2012, 14, 1536.

[144] C. Chinnasamy, A. Yang, S. Yoon, K. Hsu, M. Shultz, E. Carpenter, S.

Mukerjee, C. Vittoria, V. Harris, Size dependent magnetic properties and

142

cation inversion in chemically synthesized MnFe2O4 nanoparticles, Journal

of Applied Physics, 2007, 101, 09M509.

[145] J. Barbosa, B. G. Almeida, J. A. Mendes, D. Leitão and J. P. Araújo,

Influence of Grain Size Dispersion on the Magnetic Properties of

Nanogranular BaTiO3-CoFe2O4 Films, Journal of Nanoscience and


[146] P.T. Phong, P. H. Nam, D.H. Manh, D.K. Tung, I. –L. Lee and N.X. Phuc,

Studies of the Magnetic Properties and Specific Absorption of

Mn0.3Zn0.7Fe2O4 Nanoparticles, Journal of Electronic Materials, 2015, 44,

287.

[147] J. Smit and H. P. J. Wijn, Ferrites, John Wiley , 1959, New York.

[148] S. Chikazumi, Physics of Ferromagnetism, Oxford University Press, 1997,

New York.

[149] K. H. J. Buschow, Handbook of Magnetic Materials 8, Amsterdam, 1995,

The Netherlands, 212.

[150] M. Y. Rafique, L. Q. Pan, Q. Javed, M. Z. Iqbal, H. M. Qui, M. H. Farooq,

Z. G. Guo and M. Tanveer, Growth of monodisperse nanospheres of

MnFe2O4 with enhanced magnetic and optical properties, Chinese Physics

B, 2013, 22, 107101.

[151] E. L. Verde, G. T. Landi, J. A. Gomes, M. H. Sousa, A. F. Bakuzis, Magnetic

hyperthermia investigation of cobalt ferrite nanoparticles: Comparison

between experiment, linear response theory, and dynamic hysteresis

simulations, Journal of Applied Physics, 2012, 111, 123902.

[152] P. M. A. Caetano, A. S. Albuquerque, L. E. Fernadez-Outon, W. A. A.

Macedo, J. D. Ardisson, Structure, magnetism and induction magnetic

heating of NixCo(1-x)Fe2O4 nanoparticles, Journal of Alloys and Compounds,

2018, 758, 247-255.

[153] B. B. Lahiri, S. Ranoo, T. Muthukumaran, and J. Philip, Magnetic

hyperthermia in water based ferrofluids: Effects of initial susceptibility and

143

size polydispersity on heating efficiency, AIP Conference Proceedings,

2018, 1942, 040019.

[154] P. H. Nam, L. T. Lu, P. H. Linh, D. H. Manh, Le Thi Thanh Tam, N. X.

Phuc, P. T. Phong and In-Ja Lee, Polymer-coated cobalt ferrite

nanoparticles:synthesis, characterization, and toxicity for hyperthermia

applications, New Journal of Chemistry, 2018, 42, 14530-14541.

Documents

CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỐT NÓNG CẢM ỨNG CỦA CHẤT LỎNG HẠT …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26766.pdf · Một số ứng dụng của hiệu ứng IH trong công