ĐẠI CƯƠNG VỀ VẬT LIỆU NANO
M ột vài khái niệm về vật liệu nano
Xu hướng hiện nay trong khoa học ứng dụng là tích hợp nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé ở kích thước nguyên tử Từ thời kỳ các nhà bác học Hy Lạp xác lập nguyên tử đầu tiên, khoa học đã phát triển từ một môn triết học duy nhất thành nhiều ngành như toán học, hóa học, và sinh học để nghiên cứu các vật thể lớn hơn micromet Hiện nay, con người đang chuyển hướng nghiên cứu vào các vật liệu có kích thước nanomet, được gọi là vật liệu nano.
Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị đo ước giảm đi một tỷ lần
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được nhà vật lý Richard Feynman đưa ra vào năm 1959, khi ông nhấn mạnh rằng khoa học đã tiến sâu vào cấu trúc vật chất ở cấp độ phân tử và nguyên tử Tuy nhiên, thuật ngữ “công nghệ nano” chỉ được sử dụng từ năm 1974, khi Nario Taniguchi, một nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo, áp dụng nó để mô tả khả năng chế tạo cấu trúc vi hình trong mạch vi điện tử.
Vật liệu nano là một thuật ngữ phổ biến nhưng không phải ai cũng hiểu rõ Để nắm bắt khái niệm này, cần phân biệt giữa khoa học nano và công nghệ nano Khoa học nano nghiên cứu các hiện tượng và can thiệp vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử, nơi tính chất vật liệu khác biệt so với quy mô lớn Trong khi đó, công nghệ nano liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống thông qua việc điều khiển hình dáng và kích thước ở quy mô nanomet.
Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano không phải lúc nào cũng rõ ràng, nhưng cả hai đều tập trung vào vật liệu nano Vật liệu nano được định nghĩa là loại vật liệu có ít nhất một chiều kích thước ở cấp độ nano mét, với kích thước dao động từ vài nm đến vài trăm nm.
Phân lo ại vật liệu nano:
• Phân loại theo trạng thái: Người ta phân loại thành 3 trạng thái rắn, lỏng, khí
Tuy nhiên hiện nay người ta vẫn tập trung vào nghiên cứu vật liệu rắn
• Phân loại theo hình dáng vật liệu:
+ Vật liệu nano không chiều: Cả 3 chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử như đám nano, hạt nano,…(hình 1.1)
Vật liệu nano một chiều là loại vật liệu có kích thước nano ở hai chiều, trong khi đó điện tử có thể tự do di chuyển trên một chiều, ví dụ như trong các dạng dây nano và ống nano.
+ Vật liệu nano hai chiều: Là vật liệu trong đó có một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do như màng mỏng,… (hình 1.3)
Ngoài ra, còn tồn tại vật liệu cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ một phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có sự xen kẽ giữa các chiều nano một chiều và hai chiều.
Các tính chất vật lý và hóa học của mỗi vật liệu có giới hạn kích thước nhất định, và khi vật liệu nhỏ hơn kích thước này, tính chất của nó sẽ bị thay đổi hoàn toàn, được gọi là kích thước tới hạn Vật liệu nano sở hữu những tính chất độc đáo nhờ kích thước nhỏ, cho phép chúng so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý (bảng 1) Chúng nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Chẳng hạn, trong vật liệu sắt từ, các đômen hình thành từ những nguyên tử có từ tính sắp xếp song song, nhưng không nhất thiết phải đồng hướng với momen từ.
Hạt nano, ống nano và màng nano là các cấu trúc quan trọng trong công nghệ nano Giữa hai đômen khác nhau có một vách chuyển tiếp, được gọi là vách đômen Độ dày của vách đômen này phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, có thể thay đổi từ mỏng đến dày.
Khi kích thước hạt vật liệu nằm trong khoảng 10 – 100 nm, tính chất của nó sẽ khác biệt so với vật liệu khối Điều này xảy ra do sự tương tác giữa các nguyên tử ở đômen này ảnh hưởng đến các nguyên tử ở đômen khác, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu.
Ứng dụng của vật liệu nano
Hạt tải thuốc nano là những hạt được thiết kế để kết hợp với phân tử thuốc, có thể nằm ở vỏ hoặc bên trong hạt Các loại hạt này, như lyposome, polymer, hạt xốp ceramic, hạt nano kim loại và ống than nano, đã được nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm Chúng được tối ưu hóa với khả năng nhận diện tế bào và điều chỉnh việc giải phóng thuốc dựa trên pH hoặc nhiệt độ môi trường Điều này đặc biệt quan trọng trong việc điều trị ung thư, khi tế bào ung thư có nhiệt độ cao hơn và pH axit hơn tế bào bình thường, nhằm tránh việc tiêu diệt các tế bào khỏe mạnh như các phương pháp trước đây.
Hình 1.4 Cấu tạo hạt tải nano Hình 1.5 Cơ chế hoạt động
Bảng 1 Độ dài tới hạn của một số tính chất vật liệu
Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm)
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1 - 100
Tính chất từ Độ dày vách đômen 10 - 100
Quãng đường tán xạ spin 1 - 100
Hố lượng tử 1 - 100 Độ dài suy giảm 10 - 100 Độ sâu bề mặt kim loại 10 - 100
Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp cooper 0,1 - 100 Độ thẩm thấu meisner 1 - 100
Tương tác bất định xứ 10 - 1000
Bán kính khởi động đứt vỡ 10 - 100
Sai hỏng mầm 0,1 - 10 Độ nhăn bề mặt 1 - 10
Xúc tác Hình học topo bề mặt 1 - 10
Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1 - 100
Miễn dịch Nhận biết phân tử 1 - 10
Hạt nano từ các hợp chất bán dẫn như CdS và CdSe có khả năng phát huỳnh quang, và việc phủ lớp ZnS lên bề mặt CdSe giúp ngăn chặn sự rò rỉ cadmium Những hạt nano này được chế tạo với nhiều kích cỡ và bề mặt được cải biến bằng kháng thể hoặc phân tử sinh học, tạo ra hình ảnh tế bào rực rỡ dưới kính hiển vi Ngoài ra, ống than nano kết hợp với hạt phát quang và chứa thuốc chống ung thư đã được phát triển, cho phép theo dõi sự tập trung của vật liệu tại gan, thận, ruột và dạ dày của chuột thí nghiệm khi được kích hoạt bằng ánh sáng xanh So với liposome nano, than nano thể hiện tiềm năng tải và nhả thuốc hiệu quả hơn nhờ vào hiệu ứng xuyên thủng màng tế bào.
Hình 1.6 Hạt Qdot nano bám vào tế bào và phát quang Hình 1.7 Ống than nano
Vật liệu nano không chỉ được ứng dụng trong việc phát hiện và tiêu diệt tế bào ung thư, mà còn đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu di truyền ở cấp độ ADN và ARN Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để chế tạo gốm y sinh, phục vụ cho các sản phẩm trong lĩnh vực chất thương chỉnh hình.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển nanocomposit Fe3O4/CS và Al(OH)3/Fe3O4/CS với khả năng hấp phụ cao nhằm loại bỏ ion kim loại nặng trong nước Chất liệu Cs cho phép hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng nhờ vào khả năng tạo phức của nhóm amino (NH2−) Fe3O4 đóng vai trò quan trọng trong việc tạo từ tính cho vật liệu, giúp dễ dàng tách vật liệu sau khi hấp phụ bằng từ trường, đồng thời mở ra khả năng tái sử dụng và giải hấp phụ.
Phân tích EDS cho thấy màng Fe 3 O 4 /CS và Al(OH) 3 /Fe 3 O 4 /CS có khả năng hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng Điều này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của vật liệu chitosan trong việc hấp phụ kim loại nặng, góp phần làm sạch nước và bảo vệ môi trường.
• Hóa chất và vật liệu cao cấp
Gốm và chất cách điện cải tiến được tạo ra bằng cách nén các hạt gốm nano, dẫn đến các vật liệu rắn có độ mềm dẻo cao hơn Sự cải tiến này dường như xuất phát từ sự tồn tại của nhiều ranh giới hạt trong cấu trúc của chúng.
Hạt nano có khả năng tăng cường độ cứng của vật liệu rắn, với độ cứng có thể cao gấp 5 lần so với kim loại vi tinh thể thông thường.
Tiền chất lớp màng được sử dụng để chế tạo lớp màng kim loại mỏng cho sơn phun, đặc biệt trong việc mạ vàng đồ dùng bằng bạc thông qua chất keo vàng – axeton.
• Công nghệ, công nghệ thông tin và viễn thông
Máy tính hóa học và quang học sử dụng các mạng kim loại hoặc nano bán dẫn có trật tự trong hai hoặc ba chiều, mang lại những đặc tính từ và quang đặc biệt Những vật liệu này hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực máy tính quang học.
Ắc quy ion sử dụng vật liệu cấu trúc nano, như tinh thể nano thiếc gắn vào chất nền thủy tinh, giúp tăng cường độ bền và tính dẫn điện Những cải tiến này ngăn chặn sự hình thành các hợp kim có hại, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của ắc quy.
Các hạt màu siêu mịn mang lại chất lượng mực vượt trội với màu sắc rực rỡ, độ bao phủ tốt và tính bền màu cao Hiện nay, công nghệ nano đã được ứng dụng trong các sản phẩm như audio, băng video và đĩa hiện đại, nhờ vào các tính chất quang và từ của các hạt mịn này.
Làm lạnh bằng cách sử dụng hạt nano mang từ đã được chứng minh là hiệu quả, với lợi ích từ entropy có thể đạt được thông qua sự đảo chiều của từ tính ở kích thước nhỏ.
Nếu các hạt nano sở hữu momen từ tính lớn và độ kháng từ phù hợp, thì hiệu ứng từ nhiệt có thể được ứng dụng để làm lạnh ở quy mô thực tế.
+ Ngoài những ứng dụng phổ biến trên, vật liệu nano còn được ứng dụng trong nhiều ứng dụng khác (bảng 2)
Bảng 2 Số lượng vật liệu nano và thị trường tiêu thụ
Loại sản phẩm Số lượng Thị trường Phần trăm (%)
Hạt nano 160 Y – dược 30 Ống nano 55 Hóa chất và vật liệu cao cấp 29
Vật liệu xốp nano 22 Công nghệ thông tin, hóa chất 21
Chấm lượng tử 19 Tự động hóa 5
Vật liệu cấu trúc nano 16 Hàng không vũ trụ 2
Hạt chứa hạt nano 8 Nông nghiệp 1
M ột số phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit
1.3.1 Phương pháp gốm truyền thống
Phương pháp gốm truyền thống có thể mô tả theo sơ đồ dạng khối sau:
Trong quy trình sản xuất, bước đầu tiên là tính toán thành phần nguyên liệu ban đầu từ oxit, hiđroxit hoặc muối vô cơ để đạt tỉ lệ hợp lý cho sản phẩm mong muốn Tiếp theo, nguyên liệu cần được nghiền mịn để gia tăng diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng và đảm bảo sự khuếch tán đồng đều trong hỗn hợp Đối với lượng phối liệu dưới 20 gam, việc nghiền có thể thực hiện trong cối mã não, nhờ vào độ cứng cao và bề mặt phẳng của cối, giúp ngăn ngừa tạp chất và giữ cho tỉ lệ nguyên liệu không bị sai lệch.
Nghiền, trộn, ép viên và nung là các bước quan trọng trong quá trình sản xuất sản phẩm chất lượng từ phản ứng hóa học Khi nghiền, có thể thêm một ít dung môi như rượu etylic hoặc axeton để dễ dàng hơn trong quá trình này, giúp tăng mức độ tiếp xúc của các chất phản ứng Kích thước và độ dày của mẫu phụ thuộc vào khuôn và khả năng dẫn nhiệt của khối liệu, với áp lực nén có thể đạt vài tấn/cm² Tuy nhiên, ngay cả khi nén với áp lực lớn, mẫu phối liệu vẫn chứa khoảng 20% thể tích là lỗ xốp và mao quản, cho thấy bề mặt tiếp xúc chưa đạt tối ưu Để có mẫu phối liệu với độ xốp thấp, có thể cần áp dụng phương pháp nén nóng, kết hợp giữa áp suất và nhiệt độ trong một khoảng thời gian nhất định Công đoạn thực hiện phản ứng giữa các pha rắn là giai đoạn quan trọng nhất, vì phản ứng này thường không hoàn toàn, dẫn đến việc cần phải nghiền trộn, ép viên và nung lại nhiều lần Quá trình này sẽ được xem là hoàn tất khi phổ XRD xác nhận không còn chất ban đầu.
Một vài ví dụ tổng hợp gốm theo phương pháp truyền thống
• T ổng hợp gốm sunfua samari SmS
Loại gốm đặc biệt này có tính chất độc đáo nhờ trạng thái oxi hóa thấp (+2) của samari Theo phương pháp gốm truyền thống, bột kim loại Sm được trộn với bột lưu huỳnh và sau đó được đun nóng đến 1000 độ C trong ống thạch anh đã hút chân không Ngoài ống thạch anh, ống corun α – Al2O3 hoặc các vật liệu khác bền ở nhiệt độ cao và trơ về mặt hóa học với hơi lưu huỳnh cũng được sử dụng.
Sau khi kết thúc phản ứng, cần tiến hành đồng thể hóa sản phẩm bằng cách nâng nhiệt độ lên 2300 K Quá trình đồng thể hóa ở nhiệt độ cao có thể thực hiện qua nhiều phương pháp đun nóng, bao gồm sử dụng sợi đốt bằng tantan, đốt bằng hồ quang điện hoặc tia laze.
• T ổng hợp gốm siêu dẫn nhiệt độ cao YBa 2 Cu 3 O 7-x
+ Hình 1.8 cho thấy trong hệ bậc ba
CuO – BaO – Y 2 O 3 tạo thành nhiều hợp chất, trong đó hợp chất có tỉ lệ nguyên tử
Y: Ba: Cu = 1: 2: 3 là quan trọng nhất, vì tính năng siêu dẫn phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của Cu Do đó, điều kiện khí quyển khi nung nóng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng
Để tổng hợp và pha trộn gốm theo tỷ lệ 1:2:3, cần chuẩn bị oxit đồng, oxit ytri và bari cacbonat đúng hợp thức Sau đó, nguyên liệu được đồng nhất bằng cách xay và trộn kỹ lưỡng, tiếp theo là ép viên và nung trong khí quyển Để tạo ra sản phẩm đơn pha dưới dạng bột, cần thực hiện quy trình nén và tạo áp lực cao.
• Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp này đảm bảo tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của bột ferrit Thực nghiệm cho thấy, các hạt bột sản phẩm chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa thường có sự kết tụ, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu Do đó, cần khuếch tán các chất tham gia phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử) Hỗn hợp ban đầu, gọi là precursos, có tỉ lệ ion kim loại chính xác theo hợp thức của chất cần tổng hợp, được chuẩn bị từ hỗn hợp dung dịch chứa 2 muối tan, sau đó thực hiện phản ứng đồng kết tủa ở dạng hiđroxit, cacbonat, oxalate Cuối cùng, tiến hành phản ứng nhiệt phân chất rắn đồng thời kết tủa để thu được sản phẩm Quá trình tổng hợp cần đảm bảo 2 quá trình quan trọng.
Hình 1.8 Mặt cắt đẳng nhiệt ở 950 o C, P = 0,21 amt, của giản đồ trạng thái hệ CuO – BaO – Y 2 O 3
Để đảm bảo quá trình đồng kết tủa diễn ra đúng cách, cần kết tủa đồng thời các ion kim loại như Nd³⁺ và Ti⁴⁺ Khi kết tủa dưới dạng hiđroxit Nd(OH)₃ và Ti(OH)₄, cần lưu ý rằng muối titan có khả năng thủy phân mạnh, do đó cần duy trì độ axit cao trong dung dịch để ngăn chặn quá trình này pH cần thiết cho việc kết tủa Ti(OH)₄ khoảng 3,8, trong khi pH bắt đầu kết tủa Nd(OH)₃ là khoảng 6 Vì vậy, khi thêm dung dịch NH₃ vào hỗn hợp chứa hai ion này, cần kiểm soát pH một cách cẩn thận.
Ion Nd 3+ và Ti 4+ có tính axit mạnh, dẫn đến việc kết tủa Ti(OH)4 xảy ra trước Khi hàm lượng Ti 4+ giảm xuống rất thấp, Nd(OH)3 mới bắt đầu kết tủa Do đó, không thể thực hiện kết tủa đồng thời cho cả hai ion Để có thể kết tủa đồng thời, cần phải rót hỗn hợp hai ion vào dung dịch NH3.
Để đảm bảo tỉ lệ chính xác trong precursor, hỗn hợp pha rắn cần chứa hai ion kim loại theo đúng tỉ lệ mong muốn Tuy nhiên, việc này không hề đơn giản do tích số tan của các chất rất khác nhau Trong hỗn hợp hai chất kết tủa, có thể xảy ra tình trạng hai ion kim loại không đạt tỉ lệ như trong dung dịch chuẩn ban đầu Do đó, cần tiến hành tính toán cẩn thận để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt yêu cầu.
• Phương pháp precursor nguyên tử (precursor ion)
Chuẩn bị pha rắn ban đầu dưới dạng tinh thể yêu cầu sự phân bố trật tự của các cation kim loại mong muốn với thành phần chính xác Quá trình này có thể thực hiện thông qua hai phương pháp: tổng hợp phức đa nhân hoặc điều chế dung dịch rắn từ các muối đồng hình.
Precursor là phức đa nhân
Gốm ferrite mangan MnFe2O4 có thể được điều chế từ phức oxo-acetate của sắt mangan với công thức Fe2MnO-(CH3COO)6(H2O)3.nH2O Quá trình phân hủy nhiệt phức này cho phép thu được ferrite mangan với thành phần chính xác Đặc biệt, phức này có khả năng chứa nhiều ion kim loại chuyển tiếp khác nhau, tạo ra sự đa dạng trong cấu trúc.
FeMO(CH 3 COO) 6 (H 2 O) 3 nH 2 O, trong đó M có thể là Mn,Co, Ni, Zn …Do đó, ta có thể tổng hợp nhiều loại ferrite khác nhau
+ Các phức này có thể kết tinh lại trong pyriđin để thu được sản phẩm tinh khiết hơn, lúc đó có công thức M3Fe 6 (CH 3 COO) 17 O 3 (OH).12C 5 H 5 N
Wickham đã tổng hợp thành công các phức rắn với M là Mg, Mn, Co, Ni ở dạng tinh khiết Sau đó, ông tiến hành phân tích nhiệt của các phức rắn này.
M 3 Fe 6 (CH 3 COO) 17 O 3 (OH).12C 5 H 5 N sẽ thu được ferrit có chất lượng tốt (bảng 3)
Bảng 3 Thành phần hoá học và tính chất của một số ferrit thu được khi xử lý nhiệt phức pyriđinat
Kết hoà quả Tính Kết quả Tính MgFe 2 O 4 55,69 55,84 12,41 12,16 1,954 1000 8,384 ± 0,001
Phương pháp tổng hợp gốm cromit MCr2O4 với cấu trúc spinel mang lại lợi ích vượt trội so với phương pháp truyền thống Trong khi phương pháp truyền thống yêu cầu nghiền trộn lâu dài và nung ở nhiệt độ cao (1400 – 1700 °C), dẫn đến khó khăn trong việc đạt được sản phẩm đồng thể do oxit crom và oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao và tính hóa học trơ Phương pháp mới cho phép phân bố ion kim loại một cách trật tự trong precursor, giúp tỉ lệ Cr3+/M2+ đạt giá trị lý thuyết và sản phẩm gốm thu được đồng nhất hoàn toàn Precursor được sử dụng ở đây là dung dịch rắn dưới dạng các muối đồng hình.
Phương pháp phân tán cation kim loại vào dung dịch rắn của các muối đồng hình như muối Mohr ((NH4)2SO4.MSO4.6H2O) cho phép phân bố đều các kim loại hóa trị hai như sắt, niken, kẽm, coban, và mangan Thông tin về tính tan đẳng nhiệt của các hệ muối nước bậc ba và bậc bốn là rất quan trọng trong kỹ thuật chuẩn bị dung dịch rắn Hình 1.9 minh họa giản đồ tính tan của (NH4)2SO4.FeSO4.6H2O và (NH4)2SO4.ZnSO4.6H2O.
30 o C Từ giản đồ hình 1.9.A có thể dựng giản đồ đường cong phân bố Rozebom như hình 1.9.B
(NH 4 ) 2 SO 4 ZnSO 4 6H 2 O (NH 4 ) 2 SO 4 FeSO 4 6H 2 O trong dd rắn
Hình 1.9 Giản đồ tính tan (A) và giản đồ phân bố (B) của hệ
(NH 4 ) 2 SO 4 FeSO 4 – (NH 4 ) 2 FeSO 4 6H 2 O
C ấu trúc tinh thể vật liệu PEROVSKITE ABO 3
1.4.1 Vật liệu perovskite ABO3 thuần:
Vật liệu perovskite ABO3, được phát hiện từ đầu thế kỷ XIX, nổi bật với tính chất điện môi cao và hằng số điện môi lớn Một số loại perovskite còn sở hữu tính sắt điện và áp điện, khiến chúng trở thành vật liệu quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ.
ABO 3 thuần có cấu trúc tinh thể lý tưởng như hình 1.11 Ô mạng cơ sở là hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a = b = c và α=β=γ= 90 o C Trong đó cation A nằm tại các đỉnh của hình lập phương, còn cation B nằm tại tâm của hình lập phương Cation B được
Cấu trúc tinh thể của perovskite bao gồm 8 cation A và 6 anion oxy, trong đó mỗi vị trí A có 12 anion oxy xung quanh, tạo thành cấu trúc bát diện BO6 Đặc trưng quan trọng của perovskite là sự tồn tại của các bát diện BO6 nội tiếp trong ô mạng cơ sở, với 6 anion oxy ở các đỉnh và một cation B ở tâm bát diện Góc BOB bằng 180 độ và độ dài liên kết O-B đồng nhất theo mọi phương Bát diện FeO6 ảnh hưởng đáng kể đến tính chất điện và tính chất từ của vật liệu.
1.4.3 Vật liệu ABO3 biến tính
Vật liệu ABO3 biến tính là vật liệu có ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác có thể viết dưới dạng tổng quát: (A1-xA’ x )(B 1-y B’ y )O 3 (0 ≤ x,y ≤ 1) Với
A là các nguyên tố đất hiếm như La, Nd, Pr, Y, trong khi A’ bao gồm các kim loại kiềm thổ như Sr, Ca, Ba và các nguyên tố khác như Ti, Ag, Bi, Pb B có thể là Mn, Co, và B’ là Fe, Ni, Y Một số mẫu đã được nghiên cứu và chế tạo bao gồm LaFe1-xNixO3, LaNi1-xCoxO3, LaCo1-xFexO3, Y1-xCdxFeO3, và Ca1-xNdxMn1-yFeyO3 Khi các perovskite ABO3 bị biến tính qua pha tạp thay thế, chúng tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị và sai lệch cấu trúc, dẫn đến việc hợp chất nền trở thành vật liệu với nhiều hiệu ứng lý thú như hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, và hiệu ứng từ nhiệt Sự sai lệch cấu trúc tinh thể được đánh giá thông qua thừa số dung hạn t do Goldsmith đề xuất.
Cấu trúc perovskite ổn định khi t nằm trong khoảng 0,8 < t < 1, với bán kính các ion A 2+ (A 3+ ), B 4+ (B 3+ ) và O 2- phải đáp ứng kích thước giới hạn, cụ thể là RA > 0,9 và R B > 0,5 Å Khi t = 1, cấu trúc này sẽ là hình lập phương, nhưng khi t khác 1, mạng tinh thể sẽ bị méo, dẫn đến góc liên kết BOB không còn là 180 độ và độ dài liên kết O – B sẽ khác nhau theo các hướng, từ đó làm thay đổi các tính chất điện và từ của vật liệu.
Hình 1.12 Sự biến dạng cấu trúc
1.4.4 Vật liệu trên cơ sở YFeO3
Tinh thể YFeO3 có cấu trúc trực thoi hoặc lục giác, tương tự như YAlO3, tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp Mỗi tế bào đơn vị YFeO3 chứa 4 ion Fe ở các đỉnh, với các trục của ion sắt hơi nghiêng so với bát diện Hiện tượng biến dạng của perovskite chủ yếu xảy ra ở vị trí Y 3+, trong khi các ion Fe 3+ vẫn giữ nguyên trạng thái bát diện Nghiên cứu tổng hợp YFeO3 cho thấy ytri có thể được tổng hợp qua phản ứng pha rắn từ oxit hoặc nitrat của kim loại tương ứng, tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn do sự hình thành pha Y3Fe5O12 và Fe3O4.
Ytri orthoferrit đơn tinh thể được ứng dụng trong bộ cảm biến và thiết bị truyền động, đóng vai trò là bộ chuyển đổi quang và từ trường Tại đây, các tinh thể orthoferrit hoạt động theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday.
Hình 1.13 Tế bào đơn vị của YFeO 3
MỘT VÀI NÉT TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ
S ắt và oxit sắt
Sắt là một kim loại màu trắng xám, có khả năng rèn, dát mỏng và gia công cơ học dễ dàng Nó có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đồng thời dưới 800 độ C, sắt có tính nhiễm từ, có thể bị nam châm hút và trở thành nam châm tạm thời.
Sắt có 4 dạng thù hình (dạng α , β , γ ,δ ) bền ở những khoảng nhiệt độ nhất định:
Fe (α) Fe (β) Fe (γ) Fe (δ) Fe lỏng
Các dạng α và β của sắt có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối nhưng khác nhau về cấu trúc electron, dẫn đến Fe (α) có tính sắt và Fe (β) có tính thuận từ, trong khi Fe (α) không hòa tan Dạng Fe (γ) có cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện, còn dạng Fe (δ) cũng có cấu trúc lập phương tâm khối giống α và β nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy.
Bảng 4 Các hằng số vật lý quan trọng của sắt Độ dẫn điện
(Hg=1) T o s ( o C) T o nc ( o C) BKNT (A O ) Độ âm điện KLR
(g/cm 3 ) Độ cứng (thang Moxo)
Mức năng lượng ion hóa I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6
Năng lượng ion hóa (eV) 7,9 16,8 30,63 56 79 103
Fe 2 O 3 có tính thuận từ, màu nâu đỏ Trong hợp chất oxit sắt thì Fe(III) là chất có trạng thái spin cao (có các electron thuộc phân lớp d) Fe (III) với 5 elctron d lớp ngoài cùng nên có năng lượng mạng lưới trường tinh thể ổn định Sắt (III) oxit không chỉ là một vật liệu dùng trong chiến lược công nghiệp mà nó còn là một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tính đa hình và sự thay đổi hình dạng trong các hạt nano Sắt (III) oxit với tất cả các dạng thù hình của nó là một trong những oxit kim loại được sử dụng nhiều nhất với các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và công nghiệp Fe2O 3 có hình dạng vô định hình và tồn tại bốn loại hình dạng (alpha, beta, gamma, và epsilon)
Bảng 5 Một số tính chất chung của các quặng oxit sắt
Mẫu nung có thể chứa bốn dạng thù hình của sắt (III) oxit, được điều chế thành các hạt siêu mịn khoảng vài nanomet Chất lượng và số lượng pha thành phần trong quá trình nung phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, thời gian, áp lực, tốc độ dòng khí, độ dày vật liệu, kích thước hạt, cũng như thành phần hoá học và cấu trúc của vật liệu.
Fe 2 O 3 cũng là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ferrit, ngoài ra nó còn được sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kỹ thuật lưu trữ phương tiện truyền thông Tính điện, từ và khả năng quang học của các hạt nano siêu thuận từ có tầm quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng bao gồm cả việc phát triển mới các thiết bị điện và thiết bị quang học Lợi thế của việc sử dụng các hạt
Fe 2 O 3 kích thước nano là do chúng có tính ổn định hoá học α-Fe 2 O 3 và γ-Fe 2 O 3 được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng khoáng hematit và maghemit, bốn loại thù hình của Fe2O 3 có kích thước nano đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây Nhiệt biến đổi của sắt trong không khí khi bị oxi hoá làm cho các phản ứng không đồng nhất dẫn đến Fe2O 3 có những hình dạng khác nhau, nó trở thành một quá trình nghiên cứu khá quan trọng trong ngành vật liệu vô cơ và hoá lý, hoá học chất rắn cũng như ngành nghiên cứu khoáng vật, kỹ thuật,… β-Fe 2 O 3 có từ tính không ổn định là một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng gamma, alpha và epsilon β-Fe 2 O 3 siêu bền với nhiệt và được chuyển đổi thành hematit ở nhiệt độ khoảng 500°C ε -Fe 2 O 3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit, cấu trúc của nó được biết đến vào năm 1988 bởi Tronceet ε-Fe 2 O 3 có hình dạng trực thoi với tám tế bào đơn vị ε-Fe2O 3 thì được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hoặc đun nóng dung dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri và kali hydroxit, sau đó nung kết tủa ở 400°C Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe 2 O 3 α-Fe 2 O 3 nằm trong khoảng từ 500°C÷ 750°C Kích thước của các hạt ε -Fe 2 O 3 được chuẩn bị theo những phương pháp khác nhau là khoảng 30÷80nm
Fe 2 O 3 được hình thành trong quá trình nhiệt phân của Fe(OH)3 ở 170°C trong chân không Năm 1975 Howe và Gallagher đã biết được cơ chế mất nước và cấu trúc của oxit sắt Họ thấy rằng các oxit có cấu trúc khuyết tật đều có tất cả các đặc tính của các hợp chất ban đầu Bốn mô hình phân phối các anion chỗ trống trong mạng tinh thể oxit đã được đưa ra Sắt oxit có cấu trúc dạng ống thì được giữ lại trong quá trình mất nước, ion sắt(III) có số phối trí là 4
Theo Ayyub et al., oxit sắt (III) vô định hình được hình thành từ các hạt có đường kính nhỏ hơn 5nm Văn Diepen và Popma cho rằng trong Fe2O3 vô định hình, các ion sắt (III) được bao quanh bởi tám nguyên tử oxy với cấu trúc bát diện trong mạng tinh thể Ayyub et al đã xác định hai hiệu ứng tỏa nhiệt dựa trên phân tích nhiệt DTA, trong đó hiệu ứng tỏa nhiệt đầu tiên xảy ra ở 290°C, được cho là sự hình thành của γ-.
Fe 2 O 3 và hiệu ứng nhiệt thứ hai ở tại 400°C đó là sự chuyển dạng thù hình từ γ-Fe 2 O 3 sang α- Fe 2 O 3 Khi tăng nhiệt độ nung lên đến 600°C thì γ- Fe 2 O 3 và ε- Fe 2 O 3 đã không còn xuất hiện nữa nhưng thay vào đó là β- Fe 2 O 3 , cùng với sự tăng nhiệt độ thì β- Fe2O 3 cũng bị biến thành hematite
Fe 3 O 4 có màu đen xám, nó là hỗn hợp của FeO và Fe2O 3 , Fe 3 O 4 (magnetit) là loại có từ tính mạnh nhất trong tất cả các khoáng vật có mặt trong tự nhiên Magnetit có vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện môi trường hình thành đá
Magnetit phản ứng với oxi để tạo ra hematit, hình thành vùng đệm giúp khống chế sự phá hủy của oxi Là nguồn quặng sắt giá trị, magnetit hòa tan chậm trong axit clohiđric Trong phòng thí nghiệm, magnetit có thể được chế tạo theo phương pháp Massart bằng cách trộn sắt (II) clorua và sắt (III) clorua trong hydroxit natri Ngoài ra, magnetit cũng có thể được chế bằng phương pháp đồng kết tủa, sử dụng dung dịch FeCl3.6H2O và FeCl2.4H2O (0,1M) với động cơ quay ở tốc độ khoảng 2000 vòng/phút, tạo ra kết tủa màu đen chứa các hạt magnetit kích thước nano.
Các hạt Fe3O4 có đường kính trung bình dưới 10 nm và có kích thước phân bố hẹp Các dạng huyền phù của Magnetit có thể bị oxi hóa trực tiếp trong không khí để tạo thành γ-Fe2O3 Quá trình oxi hóa này được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ pH của hydrosol Fe3O4 về khoảng 3.5, với thời gian khuấy 30 phút ở 100°C, dẫn đến sự chuyển màu từ xanh đen sang nâu.
Ytri và oxit ytri
Ytri là nguyên tố hóa học ký hiệu Y, có số liệu nguyên tử là 39 Là kim loại có màu trắng bạc
Hình 2.1 cho thấy sự phổ biến của khoáng vật đất hiếm, trong đó hai hợp chất được sử dụng làm lân quang màu đỏ trong ống tia âm cực, như trong các ống truyền hình Nguyên tố này thường không có mặt trong cơ thể con người và không có vai trò sinh học nào.
Ytri là một nguyên tố hóa học tương đối ổn định trong không khí, có ngoại hình tương tự như các kim loại nhóm Scandi và tính chất hóa học giống các nguyên tố nhóm Lantan Khi tiếp xúc với ánh sáng, ytri phát ra ánh hồng nhẹ Tuy nhiên, các mảnh vụn hoặc phôi bào của kim loại này có thể bắt cháy khi nhiệt độ vượt quá 400°C.
Oxit ytri (Y2O3) là một chất rắn màu trắng, ổn định trong không khí, được sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học vật liệu và tổng hợp vô cơ Chất này đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo ngọc hồng lựu yttri sắt (Y3Fe5O12), được ứng dụng làm bộ lọc vi sóng hiệu suất cao và làm chất xúc tác trong quá trình polyme hóa etylen Ngoài ra, ngọc hồng lựu yttri nhôm, Y2O3, florua ytri liti và vanadat ytri cũng được sử dụng kết hợp với các tác nhân kích thích như terbi và ytterbi trong các laze cận - hồng ngoại, cũng như trong các điện cực của những loại bu-gi hiệu suất cao.
Oxit yttri (Y2O3) được sử dụng để khử oxi cho vanadi và các kim loại phi sắt khác Nó cũng là phụ gia kết dính trong sản xuất nitrua silic xốp và được ứng dụng trong đèn huỳnh quang cho kính hiển vi điện tử truyền Ngoài ra, yttri còn được dùng trong sơn, nhựa, nam châm vĩnh cửu và vật liệu phát sáng màu đỏ cho đèn huỳnh quang Mặc dù hợp chất chứa yttri hiếm gặp, nhưng chúng có độc tính cao và có thể gây ung thư Nhiệt phân ytri hydroxit ở khoảng 500°C trong 2 giờ sẽ thu được yttri oxit.
Canxi và oxit canxi
Canxi (Ca) là nguyên tố hóa học có số thứ tự 20 trong bảng tuần hoàn, thuộc nhóm kim loại kiềm thổ với nguyên tử khối 40 đvC Nó có màu xám bạc, mềm và được điều chế qua phương pháp điện phân từ canxi florua Khi cháy, canxi tạo ra ngọn lửa màu vàng - đỏ và hình thành một lớp nitrua trắng khi tiếp xúc với không khí.
Oxit canxi (CaO), còn được gọi là canxia, vôi sống hay vôi nung, là một oxit của canxi được sử dụng phổ biến Chất này có khối lượng mol là 56,1 g/mol và nhiệt độ nóng chảy đạt 2572 °C.
Vôi sống là một chất rắn tinh thể màu trắng, có tính ăn da và tính kiềm Trong thương mại, vôi sống thường chứa oxit magiê (MgO) và oxit silic, làm tăng giá trị ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực.
SiO 2 và một lượng nhỏ oxit nhôm Al2O 3 và các oxit sắt Oxit canxi thông thường được sản xuất bằng cách phân hủy nhiệt (nung nóng) các loại vật liệu tự nhiên như đá vôi là khoáng chất chứa cacbonat canxi (CaCO3) Nó diễn ra khi vật liệu này bị nung nóng tới nhiệt độ khoảng 1000°C
CaO, hay oxit canxi, là một thành phần quan trọng trong vật liệu gốm, đóng vai trò là trợ chảy cơ bản cho các loại men nung vừa và cao, hoạt động hiệu quả từ khoảng 1100°C Việc sử dụng CaO giúp tăng cường độ cứng, khả năng chống trầy xước và ăn mòn axit của men sau nung Tuy nhiên, khi chỉ kết hợp CaO với silica, men vẫn khó nung chảy; sự có mặt của sô đa và bồ tạt sẽ làm tăng tính hoạt động của CaO Đặc biệt, độ cứng, tính ổn định và giãn nở nhiệt của silicat natri và kali sẽ được cải thiện khi có CaO Mặc dù CaO là một chất trợ chảy hiệu quả, nếu sử dụng dưới 10%, nó có thể tăng độ cứng và giảm thẩm thấu cho men Ngoài ra, CaO cũng giúp giảm độ nhớt của men có hàm lượng silica cao, nhưng nếu men quá lỏng có thể dẫn đến hiện tượng hóa mờ, điều này có thể mong muốn hoặc không tùy thuộc vào yêu cầu về độ trong và bóng của men.
Men chứa hàm lượng oxit canxi cao thường có tính nhạy màu, như khi kết hợp với oxit sắt (III) sẽ tạo ra các tinh thể màu vàng và làm cho men trở nên xỉn Ngược lại, nếu men không có oxit canxi, màu sắc của men sẽ là nâu và bóng.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ T Ừ TÍNH CỦA VẬT LIỆU NANO
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai TGA/DTA
Khi cung cấp nhiệt cho một chất, trạng thái của chất sẽ thay đổi, dẫn đến các quá trình như nóng chảy, hóa hơi, thăng hoa, ngưng tụ và kết tinh Tùy thuộc vào bản chất của chất được gia nhiệt, có thể xảy ra các biến đổi hóa học, làm thay đổi thành phần hóa học và cấu trúc vật chất Sự thay đổi trạng thái luôn đi kèm với việc giải phóng hoặc hấp thu nhiệt Bằng cách đo lượng nhiệt trao đổi giữa chất và môi trường, chúng ta có thể xác định các tính chất vật lý cũng như các tính chất nhiệt động như entanpy và entropy Phương pháp nhiệt khối lượng (thermogravimetry, TG) được sử dụng để phân tích mẫu bằng cách gia nhiệt hoặc làm nguội đồng thời với việc ghi nhận khối lượng.
Mẫu được đặt trong cốc đựng trên đòn cân trong lò nung điện, với khối lượng và nhiệt độ được ghi nhận liên tục Các chất vô cơ như thủy tinh thường được gia nhiệt từ nhiệt độ phòng lên đến 600-1000 oC Giản đồ DTA trong phương pháp phân tích nhiệt vi sai thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu quy chiếu và mẫu phân tích theo nhiệt độ.
Phương pháp nhiễu xạ X (XRD)
Nguyên tắc chung: Khi chiếu một chùm electron (hình 3.1) có năng lượng lớn vào bề mặt của đối âm cực
(anot), các electron của bề mặt đối âm cực bị bức ra và làm xuất hiện lỗ trống
Khi các electron có năng lượng cao hơn chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn, chúng lấp đầy các chỗ trống và phát ra năng lượng thừa dưới dạng tia X.
Hình 3.1 Hiện tượng nhiễu xạ tia X
Giả sử khi tia X phản xạ từ hai điểm A và B Điều kiện giao thoa của hai tia này là chúng phải cùng pha, nghĩa là:
Nói cách khác: CB + BD = 2CB = 2AB sinθ = 2d sinθ
Trong đó: λ là bước sóng tia tới, θ là góc Bragg, d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng, n là bậc phản xạ
Ta có thể tính kích thước trung bình của mẫu theo công thức Scherrer (sai số 50%) như sau: Φ = EE A kλ A
Trong nghiên cứu này, các yếu tố quan trọng bao gồm kích thước tinh thể (Φ), bước sóng của bức xạ tia X (λ = 0.154nm), hệ số (k = 0.89) và độ rộng ở ẵ chiều cao của peak (β) sau khi đã loại bỏ độ rộng do thiết bị (rad) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ.
Phương pháp XRD là kỹ thuật sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần pha của vật liệu thông qua việc phân tích số lượng, vị trí và cường độ các đỉnh trên phổ nhiễu xạ tia X Từ đó, phương pháp này giúp suy luận kiểu mạng và xác định bản chất của vật thể.
Trong đề tài này phổ XRD được tiến hành đo trên máy D8-ADVANCE (hãng SX Brucker Đức, anode: Cu, bước sóng: 1.54 Ǻ) tại viện Khoa học và Công nghệ TPHCM.
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị cho phép tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật mà không cần phá hủy chúng, đồng thời hoạt động hiệu quả trong môi trường chân không.
Nguyên tắc hoạt động của quá trình khảo sát mẫu điện tử yêu cầu mẫu phải được phủ lớp kim loại dẫn điện mỏng, thường là vàng, để ngăn chặn dòng điện tử không truyền qua hoặc mất đi Lớp vàng được phủ lên bề mặt mẫu tạo thành lớp dẫn điện khoảng 10 nm, giống như tuyết rơi Khi độ phóng đại không vượt quá vài chục ngàn lần, sự thay đổi hình dạng bề mặt mẫu do lớp màng dẫn điện gần như không thể nhận thấy Số lượng điện tử thứ cấp phát ra từ bề mặt mẫu được phát hiện bằng máy đếm huỳnh quang, với đầu dò được đặt xa mẫu và áp điện thế +10 kV, cung cấp điện thế +200-500 V cho tấm lưới ở mặt trước đầu dò nhằm tập trung điện thứ cấp.
Phương pháp đo độ từ hóa
Vật liệu từ là loại vật liệu có khả năng bị từ hóa dưới tác dụng của từ trường, mang lại những tính chất đặc biệt Tùy thuộc vào tín hiệu của vật liệu trong từ trường, chúng được phân thành vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng Khi nghiên cứu độ tính của vật liệu, cần chú ý đến lực kháng từ (H R c R) và độ từ dư (M R c R).
Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
Hình 3.3 Ảnh một kính hiển vi điện tử quét
Từ trễ 0T 0T (0T 0T magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ trong các vật liệu sắt từ, do khả năng giữ lại từ tính của chúng.
Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ
Hiện tượng từ trễ được thể hiện qua đường cong từ trễ (M(H) hay B(H)), cho thấy rằng sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường nhất định, khi giảm từ trường và quay lại, vật không trở về đường cong ban đầu mà đi theo một đường khác Nếu đảo từ theo chu trình kín, ta sẽ có đường cong từ trễ, phản ánh tính chất nội tại của các vật liệu sắt từ và khả năng từ tính của chúng.
Từ độ bão hòa là giá trị đạt được khi vật liệu từ hóa dưới tác động của trường từ đủ lớn, vượt qua giá trị trường dị hướng, khiến các mômen từ hoàn toàn song song với nhau Khi đạt đến trạng thái bão hòa từ, đường cong từ trễ M(H) có dạng nằm ngang Đây là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ; tại không độ tuyệt đối (0 K), nó thể hiện giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms hoặc Bs, trong đó chữ "s" biểu thị cho saturation (bão hòa).
Từ dư (Mr hoặc Br) là giá trị còn lại của từ trường khi không còn tác động từ bên ngoài (H = 0) Đây không phải là đặc tính nội tại của vật liệu mà là thông số phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, phương từ hoá và hình dạng của vật từ Tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính chất từ của vật liệu.
Hình 3.5 Đường cong từ trể của vật liệu sắt từ
M r /M s được gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ (giá trị
M r /M s càng gần 1 thì đường cong từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật)
Lực kháng từ: Là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M 0) Lực kháng từ thường được ký hiệu là Hc (Coercivity)
Vật liệu từ cứng có đặc điểm là có từ trường khử và từ dư lớn, với đường cong từ trễ rộng, khiến chúng khó bị từ hóa và có lực kháng từ cao Điều kiện tối thiểu để vật liệu này hoạt động hiệu quả là trên 100 Oe, trong khi nhiều loại vật liệu từ cứng phổ biến có lực kháng từ lên tới hàng ngàn Oe Khi đã bị từ hóa, năng lượng từ của chúng được giữ lại lâu dài, cho phép chúng được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu.
Vật liệu từ mềm có đặc điểm nổi bật là độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ và tổn hao từ trễ thấp, thể hiện qua đường cong từ trễ hẹp Đặc biệt, lực kháng từ của các vật liệu này thường nhỏ hơn 100, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghệ.
Các vật liệu có tính từ mềm tốt có lực kháng từ rất nhỏ, khoảng 0,01 Oe Độ từ hóa của chất sắt từ sẽ biến mất khi có từ trường Hc tác dụng, với Hc là lực kháng từ ngược dấu với từ trường tạo cảm ứng Sự hiện diện của đồ từ hóa dư cho phép chúng ta chế tạo nam châm vĩnh cửu, trong đó nam châm vĩnh cửu có tính chất tốt khi lực kháng từ cao Độ từ tính của mẫu được đo tại phòng vật liệu từ và siêu dẫn thuộc phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng máy Microsene EV11.
T ổng quan về hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt giữa các pha khác nhau như khí-rắn, lỏng-rắn, khí-lỏng và lỏng-lỏng Chất hấp phụ có khả năng hút các phần tử từ các pha khác tiếp xúc với nó, trong khi chất bị hấp phụ là những chất được kéo ra khỏi pha thể tích và tập trung trên bề mặt hấp phụ Quá trình này thường diễn ra kèm theo sự tỏa nhiệt.
Hấp phụ được phân chia thành hai loại chính: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, tùy thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Hấp phụ vật lý chủ yếu được gây ra bởi lực Vander Waals giữa các phân tử bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, với lực liên kết này có tính chất yếu và dễ bị phá vỡ.
Hấp phụ hóa học xảy ra khi có lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử bị hấp phụ, tạo ra liên kết bền vững và khó bị phá vỡ Sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học là tương đối, do ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong nhiều trường hợp, cả hai quá trình này có thể diễn ra đồng thời Ở nhiệt độ thấp, hấp phụ vật lý chiếm ưu thế, nhưng khi nhiệt độ tăng, khả năng hấp phụ vật lý giảm và hấp phụ hóa học trở nên nổi bật hơn.
Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, trong đó các phân tử chất có thể di chuyển ngược lại pha mang sau khi đã bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ Khi lượng chất bị hấp phụ tích tụ ngày càng nhiều, tốc độ di chuyển trở lại pha mang cũng tăng lên Cuối cùng, khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ, quá trình hấp phụ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng.
Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất được hấp phụ trên mỗi đơn vị khối lượng của chất hấp phụ trong trạng thái cân bằng, với các điều kiện về nồng độ và nhiệt độ xác định Công thức tính dung lượng hấp phụ giúp xác định mức độ hiệu quả của quá trình hấp phụ.
Trong đó: Co và C là nồng độ lúc ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ
V là thể tích trong đó xảy ra sự hấp phụ m là khối lượng chất hấp phụ