Hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại
(Metallic nanoparticles)

Nguyễn Hoàng Hải (Dạ Trạch)
Trung tâm Khoa học Vật liệu
Khoa Vật lí, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Đại học Quốc gia Hà Nội
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam

Keywords: nanoparticle, gold, silver, biophysics, nanomaterials

I. VẬT LIỆU NANO VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA NÓ
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước đó [1]. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây:

1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta cần lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng. Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tí số f là 40 %, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm.

Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu

Đường kính hạt nano (nm)	Số nguyên tử	Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%)	Năng lượng bề mặt (erg/mol)	Năng lượng bề mặt/Năng lượng tổng (%)
10	30.000	20	4,08×1011	7,6
5	4.000	40	8,16×1011	14,3
2	250	80	2,04×1012	35,3
1	30	90	9,23×1012	82,2

2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ sơ với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung mình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử). Bảng 2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [2].

Bảng 2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu

Tính chất	Thông số	Độ dài đặc trưng (nm)
Điện	Bước sóng của điện tử Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm	10-100 1-100 1-10
Từ	Vách đô men, tương tác trao đổi Quãng đường tán xạ spin Giới hạn siêu thuận từ	10-100 1-100 5-100
Quang	Hố lượng tử (bán kính Bohr) Độ dài suy giảm Độ sâu bề mặt kim loại Hấp thụ Plasmon bề mặt	1-100 10-100 10-100 10-500
Siêu dẫn	Độ dài liên kết cặp Cooper Độ thẩm thấu Meisner	0.1-100 1-100
Cơ	Tương tác bất định xứ Biên hạt Bán kính khởi động đứt vỡ Sai hỏng mầm Độ nhăn bề mặt	1-1000 1-10 1-100 0.1-10 1-10
Xúc tác	Hình học topo bề mặt	1-10
Siêu phân tử	Độ dài Kuhn Cấu trúc nhị cấp Cấu trúc tam cấp	1-100 1-10 10-1000
Miễn dịch	Nhận biết phân tử	1-10

II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU NANO
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng.

1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano

· Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano, hạt nano

· Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ dây nano, ống nano

· Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ màng mỏng

· Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều. Cách này ít phổ biến hơn cách ban đầu.

2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:

· Vật liệu nano kim loại

· Vật liệu nano bán dẫn

· Vật liệu nano từ tính

· Vật liệu nano sinh học

· vân vân

Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất.

III. HẠT NANO KIM LOẠI
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng từ hàng ngìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở Bảo tàng Anh [3]. Chiếc cốc đó đổi màu tùy thuộc vào cách người ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và có màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc. Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70 nm và với tỉ phần mol là 14:1. Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt nano. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị như trên. Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn được biết có khả năng diệt khuẩn. Hàng ngàn năm trước người ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để được lâu hơn. Ngày nay người ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào.

IV. CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI
Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au. Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano. Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này.

1. Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống [4]. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M.

2. Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [5] (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này.

3. Phương pháp khử vật lí
Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử [6], sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma [7], tia tử ngoại [8], tia laser [9] khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [9] chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.

4. Phương pháp khử hóa lí
Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [10].

5. Phương pháp khử sinh học
Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [11]. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn.

V. TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO KIM LOẠI
Như phần đầu đã nói, hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao.

1. Tính chất quang học
Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.

2. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.

3. Tính chất từ
Các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.

4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C [12].

VI. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO KIM LOẠI

Các ứng dụng đều liên quan đến những tính chất khác biệt của hạt nano. Những ứng dụng đầu tiên như chúng ta đã biết là liên quan đến tính chất quang của chúng. Người ta trộn hạt nano vàng, bạc vào thủy tinh để chúng có các màu sắc khác nhau. Gần đây người ta đã phát hiện ra rất nhiều ứng dụng khả dĩ của hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư [13]. Trong đó, hạt nano vàng được kích thích bằng ánh sáng laser xung, do hiện tượng hấp thụ cộng hưởng Plasmon mà hạt nano dao động trở nên nóng bỏng, có khi lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vàng. Quá trình tăng nhiệt này gây ra một sóng xung kích (shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư trong đường kính hàng mm. Hạt nano vàng bọc bởi các nguyên tử Gd (có mô men từ nguyên tử lớn nhất) còn được dùng để làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) [14]. Rất gần đây, người ta còn tạo ra nguyên tử nhân tạo từ hai hạt nano vàng mở ra khả năng ứng dụng lớn trong tương lai [15].

Tài liệu tham khảo
[1] L. M. Liz-Marzán, Materials Today (2004) 26.
[2] Murday, J. S., AMPTIAC Newsletter 6 (2002) 5.
[3] http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/text/lycurgus/sr-lycurgus-p1-t.html
[4] F. Mafune et. al., J. Phys. Chem. 14 (2000) 8333.
[5] D. Kim et. al., Nanotechnology 17 (2006) 4019.
[6] K. A. Bogle et. al., Nanotechnology 17 (2006) 3024.
[7] H. S. Shin et. al., J. Colloid. Interface Sci. 274 (2004) 89.
[8] H. H. Huang et. al., Langmuir 12 (1996) 909.
[9] J. P. Abid et. al., Chem Commun. (2002) 792.
[10] J. Zhu et. al., Langmuire 16 (2000) 6396.
[11] M. Kowshik et. al., Nanotechnology 14 (2003) 95.

[12] K. J. Klabunde, Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley (2001), p. 23.

[13] R. R. Letfullin et. al., Nanomedicine 1 (2006) 473.

[14] J.-P. Debouttiere, et. al., Adv. Func. Mater. 16 (2006) 2330.

[15] G. A. DeVries, et. al., Science 315 (2007) 358.

Colloidal Silver Featured in the Wall Street Journal

The powers of colloidal silver have been heralded for thousands of years only to be quieted by penicillin and other bacteria killers conjured up in the pharmaceutical labs, given Latin names and used to fight every bacterium originated disease known to man.
The results of shunning this natural nano-si5A8zed (nano = one billionth of a meter) antibiotic has been that diseases have evolved to have a resistance to the man made antibiotics and now scientist are scrambling to find replacements for the antibiotics that have survived less than 100 years.
There are critics that hypothesize that the large pharmaceutical companies are pressuring the regulatory agencies to prevent nano-sized silver products from being sold directly to the public without the giants taking their cut. Websites have sold silver nanoparticles in solution known as colloidal silver without the ability to mention what the product will cure or testimonials from those that have had positive results.
Wall Street Journal announces that the War Against Germs Has Silver Lining.
Curad USA, makers of hospital bandages lined with nano-silver particles now has released Curad Silver Bandages for the home use instead of a Band-aid. Curad claims that silver reduced bacterial growth like Staph. aureaus, E. coli, E. hirae and Pseudomonas aeruginosa.
Samsung Electronics has introduced a refrigerator and new laundry washing machine that uses silver ions to sanitize the laundry and eliminate 99% of odor causing bacteria (sold at Lowes and Best Buy). Plank, a Boston company, has launched a new soap for Yoga users that lists silver as the main active ingredient. 5A8The company has a toothpaste and shampoo in R&D that is imbued with silver.
Asia has become the largest consumer of products that uses the nano-silver as a antimicrobial ingredient. Colloidal silver is known to kill virus, is it possible they are guarding against bird flu?
While some agencies strive to prevent you from buying colloidal silver online, the EPA is clear that we NOW have silver in our drinking supply and has, for health purposes established a daily reference dose for silver in drinking water at 350 micrograms (u.g) and a critical dose at 1400 u.g. In contrast, international health bodies, such as the World Health Organization, have not established such standards for silver since its toxicity is very low.
Silver becomes more active against microbes when its made into small particles because they can cover more surface area when they come into direct contact with bacteria, according to Andrew Maynard, physicist and chief scientific adviser for studies on Emerging Nanotechnologies underway at Woodrow Wilson International Center for Scholars in Washington.
Adidas, and Polartec have licensed silver coated nylon fabric known as X-Static (Noble Biomaterials Inc.) to incorporate antimicrobial silver in athletic and outdoor clothing for their ability to kill odors and promote thermal properties. Brooks Sports sells a line5A7 (HVAC) of socks, caps and shirts that use silver to differentiate them from all others.
ARC Outdoors uses silver infused fabric from NanHorizon Inc. to produce antimicrobial socks for the U.S. military. SmartSilver is brand of odor-eliminating underwear, stocking caps and gloves that kills bacteria on contact using nano-silver. ARC sells to Wal-Mart, Bass ProShops, Cabelas and wants to expand to hospital products such as sheets and surgical scrubs.
Sharper Image has introduced a plastic food storage container that is infused with nano-silver particles that they claim will keep food fresher, longer.
So what diseases will colloidal silver display benefits for? Bacteria and virus are known to be killed by silver suspended in a liquid of nanoparticle size called colloidal silver. In addition to the bacterial growths like Staph. aureaus, E. coli, E. hirae and Pseudomonas aeruginosa mentioned by Curad and Maynard, yeast, fungus and virus have all died in tests using colloidal silver. So is yeast infection a yeast? Yes. Is ringworm a fungus? Yes. Is acne caused by bacteria? Yes. Is sinusitis caused by a bacteria infection? Yes. Is silver used in infants eyes? Yes. Is silver used for burn victims? Yes. Is colloidal silver an immune system support? Yes. Will colloidal silver be the answer for bird flu? Is bird flu a virus?

Article Source: http://EzineArticles.com/?expert=James_Zeller

Quả Bóng Đá C60 và Ống Nano Carbon

(Theo http://www.khoahoc.net/baivo/truongvantan/180506-ongnanocarbon.htm)

LTS: Tiến sĩ Trương Văn Tân là một cộng tác viên thường xuyên của mạng khoahoc.net. Được biết anh là một chuyên gia về vật liệu học (Materials Science) và polymer. Hơn mười năm qua anh nghiên cứu về polymer (plastic) dẫn điện và gần đây ống nano carbon. Trong bài viết nầy anh Tân giới thiệu sơ lược về nền công nghệ nano và vật liệu nano. Nhận thấy tầm quan trọng của nền công nghệ nano, Ban Biên Tập xin trân trọng giới thiệu bài viết nầy đến bạn đọc gần xa và nhất là đến các nhà khoa học tương lai của Việt Nam.

* * *

Cách đây mười năm cụm từ "công nghệ nano" (nanotechnology) ít được người biết đến, nhưng ngày hôm nay nó trở thành một thuật ngữ quen thuộc ở mọi giai tầng trong xã hội hiện đại. Người làm kinh tế hay chính trị cũng thường đề cập đến nano dù người nói lẫn người nghe lắm khi vẫn không biết đích xác là gì. Nano là tiếng gọi tắt của nanometer (ký hiệu nm, 1 nm = 10-9 m hay là 0.000000001 m) [1] là một đơn vị đo lường ở thứ nguyên nguyên tử hay phân tử. Công nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng những hiện tượng ở đơn vị nanometer để thiết kế vật liệu và vật chất với những chức năng đặc biệt ngay từ thang (scale) nguyên tử hoặc phân tử. Người ta gọi đây là phương pháp thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up method) khác với phương pháp thiết kế thông thường "từ trên xuống" (top-down method) đang được lưu dụng [2]. Nhà vật lý học nổi tiếng Richard Feynman đã từng tiên đoán phương pháp "từ dưới lên" trong một bài thuyết trình năm 1959 qua câu nói vừa nghiêm túc vừa hài hước "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới). Lời dự đoán thiên tài nầy cho biết vùng tận cùng "miệt dưới" của nguyên tử và phân tử vẫn còn là những vùng phì nhiêu bát ngát chờ đợi con người đến thao túng khai hoang!

Tuy nhiên con người phải chờ đến 40 năm mới nhìn thấy sự bùng nổ của nền công nghệ nano chủ yếu sử dụng phương pháp "từ dưới lên". Nền công nghệ nầy đang có tác động mạnh lên nền công nghệ "cổ điển" hiện tại và cũng là một động lực của những công trình nghiên cứu đa ngành (multi-discipline) bao gồm vật lý, hóa học, vật liệu học, sinh học, toán học, tin học v.v... Đây là một cuộc cách mạng kỹ nghệ của loài người ở thế kỷ 21. Nó sẽ mang lại cho nhân loại những thay đổi khoa học kỹ thuật mang tính đột phá và có tầm ảnh hưởng sâu xa trong sinh hoạt xã hội, văn hóa, kinh tế hơn cả cuộc cách mạng kỹ nghệ ở thế kỷ 18.

Đàng sau bức bình phong công nghệ nano là những vật liệu nano. Trong những vật liệu nầy xuất hiện hai dạng carbon: phân tử fullerene C60 có hình dạng trái bóng đá và ống nano carbon (carbon nanotube). Sự phát hiện của hai dạng carbon ở thập niên 80 và 90 ở thế kỷ trước có một trùng hợp thời điểm với sự ra đời và phát triển của công nghệ nano. Việc khám phá fullerene và ống nano carbon là tập hợp của nhiều sự kiện ngẫu nhiên. Gọi là ngẫu nhiên nhưng thật ra là những kết quả hết sức ngoạn mục phản ảnh một tinh thần làm việc miệt mài nhưng vẫn phóng khoáng lạc quan, một tư duy phân tích bén nhạy nhưng không xơ cứng giáo điều của nhà khoa học.

Hiện nay, hằng trăm trung tâm nghiên cứu lớn nhỏ về công nghệ nano được thành lập khắp nơi trên thế giới đứng đầu là Mỹ, Nhật Bản, Âu Châu, Trung Quốc với kinh phí toàn cầu trong vài năm tới sẽ tăng đến hằng chục tỷ USD mỗi năm. Đối với một số nước công nghệ nano và bộ môn fullerene/ống nanocarbon là ưu tiên quốc gia cho các đề án nghiên cứu và triển khai. Trong bài viết nầy chúng ta hãy nhìn xem có thật sự là con người đang đi vào một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mở ra một thời đại hoàng kim công nghệ chưa từng có trong lịch sử nhân loại. Và có thật sự là nền công nghệ silicon của thế kỷ 20 đang từ giã "cuộc hí trường" để được thay thế bởi nền công nghệ carbon.

Quả bóng đá C60

Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto (University of Sussex, Anh Quốc) và Sean O'Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, Mỹ) khám phá ra một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60. Giáo sư Kroto là một nhà nghiên cứu hóa học thiên văn. Vào thập niên 70, ông đã có một chương trình nghiên cứu những chuỗi dài các nguyên tử carbon trong các đám mây bụi giữa các vì sao (interstellar dust). Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang phổ kế laser của nhóm nầy để mô phỏng điều kiện hình thành của các chuỗi carbon trong các đám mây vũ trụ. Họ không những có thể tái tạo những chuỗi carbon mà còn tình cờ khám phá một phân tử rất bền chứa chính xác 60 nguyên tử carbon. Sự khám phá C60 xoay hướng nghiên cứu của nhóm nầy từ chuyện tìm kiếm những thành phần của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ đến một lĩnh vực hoàn toàn mới lạ liên hệ đến khoa vật liệu (Materials Science). Năm 1996, Kroto, Curl và Smalley được giải Nobel Hóa học cho sự khám phá nầy.

Trước C60 người ta chỉ biết carbon qua ba dạng: dạng vô định hình (amorphous) như than đá, than củi, bồ hóng (lọ nồi), dạng than chì (graphite) dùng cho lõi bút chì và dạng kim cương (Hình 1). Sự khác nhau về hình dạng, màu mè, giá cả và cường độ yêu chuộng của nữ giới giữa than đá, than chì và kim cương thì quả là một trời một vực. Tuy nhiên, sự khác nhau trong cấu trúc hóa học lại khá đơn giản. Như cái tên đã định nghĩa, dạng vô định hình không có một cấu trúc nhất định. Trong than chì các nguyên tố carbon nằm trên một mặt phẳng thành những lục giác giống như một tổ ong. Cấu trúc nầy hình thành những mặt phẳng nằm chồng chất lên nhau mang những electron pi di động tự do. Than chì dẫn điện nhờ những electron di động nầy. Trong kim cương những electron pi kết hợp trở thành những nối hóa học liên kết những mặt phẳng carbon và làm cho chất nầy có một độ cứng khác thường và không dẫn điện.


Hình 1: Tám loại carbon theo thứ tự từ trái sang phải: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e) C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon (Nguồn: Wikipedia).

Sự khám phá của C60 cho carbon một dạng thứ tư. Sau khi nhận diện C60 từ quang phổ hấp thụ Kroto, Curl và Smalley bắt đầu tạo mô hình cho cấu trúc của C60. Trong quá trình nầy các ông nhanh chóng nhận ra rằng các nguyên tố carbon không thể sắp phẳng theo kiểu lục giác tổ ong của than chì, nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục giác xen kẻ với hình ngũ giác giống như trái bóng đá với đường kính vào khoảng 1 nm (Hình 1d và 2). Phân tử mới nầy được đặt tên là buckminster fullerene theo tên lót và họ của kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller. Ông Fuller là người sáng tạo ra cấu trúc mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác (Hình 3). Cho vắn tắt người ta thường gọi C60 là fullerene hay là bucky ball.


Hình 2: Quả bóng đá phân tử C60 với đường kính vào khoảng 1 nm.


Hình 3: Kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller và mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác.

Trong việc quyết định trao giải Nobel, Viện Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã quên mất công lao của giáo sư Eiji Osawa. Ông là người đầu tiên đã tiên đoán sự hiện hữu của C60. Tôi tình cờ gặp ông tại một cuộc hội thảo khoa học chuyên ngành. Cũng như phần lớn các giáo sư người Nhật Bản khác, giáo sư Osawa là một người khả kính, điềm đạm và khiêm tốn. Khi tôi gợi chuyện C60 và giải Nobel, ông mở nụ cười hiền hòa tâm sự "Không được Nobel tôi tiếc lắm chứ vì C60 là đứa con khoa học của tôi mà. Tôi tiên đoán C60 vào năm 1970 khi tôi vừa mới được bổ nhiệm Giảng Viên tại Đại Học Hokkaido. Vì tôi viết bằng tiếng Nhật và đăng bài báo cáo của tôi trên tạp chí Kagaku (Hóa Học) năm 1970 [3] nên không được các đồng nghiệp quốc tế lưu ý đến. Một năm sau tôi viết lại thành một chương cho một quyển sách giáo khoa, cũng bằng tiếng Nhật". Tôi hỏi "Nếu thầy đã tiên đoán như vậy thì tại sao thầy không làm một thí nghiệm để kiểm chứng". Ông bộc bạch "Theo sự tính toán của tôi thì năng lượng hoạt tính của phản ứng tạo ra C60 rất cao. Tôi không thể hình dung được một chất xúc tác nào có thể hạ thấp năng lượng hoạt tính để phản ứng có thể xảy ra. Nhưng tôi đã hình dung được cấu trúc của nó trong một lần tôi nhìn đứa con trai của tôi đùa giỡn với trái bóng đá trong công viên gần nhà. Tôi cũng không nghĩ ra một phương tiện vật lý như dùng laser hoặc tia có năng lượng cao như nhóm Smalley đã làm để kích động phản ứng. Hơn nữa, ở thời điểm đó tôi mới vừa làm Giảng Viên nên cần phải tạo một dấu ấn nào đó trong phân khoa. Tôi cảm thấy việc tổng hợp C60 quá nhiều khó khăn nên đành chọn một hướng nghiên cứu khác". Có một điều làm cho ông được an ủi phần nào là trong bài diễn văn nhận giải Nobel Kroto, Curl và Smalley đã đề cập đến thành quả tiên phong của ông. Ông đã gởi tặng tôi bài báo cáo khoa học mang tính lịch sử nầy (Hình 4).



Hình 4: Tựa đề bài báo cáo "Họ chất thơm siêu đẳng" (Super-aromaticity) viết vào năm 1970 [3] và quả bóng đá C60 trong bài viết.

Như giáo sư Osawa đã trình bày, ở điều kiện và nhiệt độ bình thường việc tổng hợp C60 là một việc bất khả thi trên phương diện nhiệt động học (thermodynamics). Vì là một nhà hóa học thiên văn, Kroto tiếp cận vấn đề bằng một phương thức khác. Tháng 9 năm 1985, trong thời gian làm việc tại Rice University ông dùng tia laser của Curl và Smalley bắn vào than chì để tái tạo sự tương tác của các tia vũ trụ và carbon trong không gian. Trong phổ ký khối lượng (mass spectrography) của các sản phẩm tạo thành xuất hiện hai đỉnh rất to chỉ định C60 và C70. Một bất ngờ nhưng Kroto, Curl và Smalley biết ngay đây là một khám phá đổi đời "kinh thiên động địa". Khi tia laser bắn vào một vùng nào đó của vật chất thì sẽ nâng nhiệt độ vùng đó lên cao hằng ngàn độ, thậm chí hằng chục ngàn độ. Ở nhiệt độ cao những chướng ngại nhiệt động học không còn là vấn đề và sự tạo thành C60 trở nên rất thuận lợi.

Việc khám phá C60 đã làm chấn động hầu hết mọi ngành nghiên cứu khoa học. Đặc biệt đối với môn hóa học hữu cơ nó đã tạo ra một nguồn sinh khí mới cho ngành nghiên cứu quá cổ điển nầy. Sự khám phá có tầm quan trọng hơn sự khám phá cấu trúc vòng nhân benzene của Kekule gần 150 năm trước. Benzene đã mở ra toàn bộ ngành hóa học của hợp chất thơm (aromatic compounds). C60 đã mở ra ngành "Hóa học fullerene" đi song song với sự phát triển của ngành công nghệ nano hiện nay.

Kroto, Curl và Smalley chỉ cho biết sự hiện hữu của C60, nhưng tổng hợp C60 cho việc nghiên cứu và ứng dụng phải đợi đến năm 1990 khi Krätschmer và Huffman đưa ra phương pháp tổng hợp với một sản lượng lớn. Nhờ vào phương pháp nầy đến năm 1997 đã có hơn 9000 hợp chất dựa trên fullerene được tổng hợp, hơn 20 000 báo cáo khoa học đăng trên các tạp chí chuyên ngành. Những người nghiên cứu hóa hữu cơ thường có nhiều nỗi ám ảnh và niềm đam mê đối với những cấu trúc phân tử đối xứng và cấu trúc lồng (cage structure), nên fullerene trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mầu mỡ trong bộ môn nầy. Họ tổng hợp những fullerene cao hơn C60 như C70 (70 nguyên tử carbon, hình bóng bầu dục), C84 (84 nguyên tử carbon, hình quả đậu phọng). Họ kết hợp những nhóm chức (functional group) để chức năng hóa (functionalization) fullerene, gắn fullerene vào polymer để tổng hợp những dược liệu hay vật liệu cho áp dụng quang điện tử.

Lịch sử fullerene lâu đời hay non trẻ tùy vào hai cách nhìn khác nhau. Nghiên cứu fullerene thật ra rất ngắn chỉ hơn 20 năm kể từ ngày phổ ký khối lượng của Curl và Smalley cho biết sự hiện diện của C60 và C70, nhưng sự hiện hữu của fullerene có lẽ còn sớm hơn sự xuất hiện của loài người. Nó có trong những đám mây bụi trong vũ trụ, mỏ than, bồ hóng từ những ngọn nến lung linh hoặc những nơi khiêm tốn hơn như ở lò sưởi than, cái bếp nhà quê đen đui đủi vì lọ nồi... Người ta không tìm được C60 vì hàm lượng rất nhỏ và thường bị than vô định hình phủ lấp.

Khi màn bí mật C60 được vén mở, người ta nghĩ ngay đến những áp dụng thực tiễn của C60. Người ta kết hợp C60 với potassium (K) để tạo ra chất siêu dẫn hữu cơ ở nhiệt độ 18 K (-255 °C). Một số nhà nghiên cứu sinh học hy vọng có thể dùng C60 điều chế dược phẩm trị liệu bịnh AIDS. Trong vật lý, rất nhiều đề nghị áp dụng C60 để chế tạo những trang cụ (device) quang điện tử trong công nghệ cao. Tuy nhiên, trên mặt áp dụng các nhà khoa học thường mắc phải một căn bệnh chung là "lạc quan quá độ". Cấu trúc tròn trịa, đối xứng của C60 đã được tạp chí Science tôn vinh là "phân tử của năm 1991", nhưng cái xinh đẹp hấp dẫn không phải lúc nào cũng đưa đến kết quả thực tiễn hoàn mỹ.

Hai yếu tố làm C60 giảm tính thực tế là: (1) giá cả quá cao (giá cho 1 gram là vài trăm USD hoặc cao hơn cho tinh chất, so với giá vàng vào khoảng $10/g) và (2) C60 không hòa tan trong dung môi rất bất lợi cho việc gia công. Những hồ hởi ban đầu trong cộng đồng nghiên cứu khoa học dành cho fullerene bị dập tắc nhanh chóng vì những trở ngại nầy. Thậm chí ngay trong công nghệ "thấp", chẳng hạn dùng C60 như một chất phụ gia (additives) cho dầu nhớt làm giảm độ ma xát vẫn không địch nổi về giá cả và hiệu quả của những chất phụ gia thông thường. Tuần báo The Economist có lần phê bình "Cái công nghệ duy nhất mà quả bóng bucky đã thực sự cách mạng là sản xuất những bài báo cáo khoa học" (The only industry the buckyball has really revolutionized is the generation of scientific papers)!

Nhưng viễn ảnh của C60 trong áp dụng công nghệ không đến nổi tăm tối như các nhà bình luận kinh tế đã hấp tấp dự đoán. Sự kiên trì của những người làm khoa học lúc nào cũng cho thấy một niềm lạc quan của "những tia sáng ở cuối đường hầm". Gần đây công ty Nano-C (Mỹ) tuyên bố khả năng sản xuất hằng tấn C60 cho giới công nghệ. Một nhà máy thí điểm tại Nhật đang có khả năng chế tạo 40 tấn hằng năm và sẽ lên đến vài trăm tấn khi nhà máy được nâng cấp. Phương pháp sản xuất hàng loạt sẽ làm giảm giá C60 đến mức $5/g và có thể $1/g trong một tương lai không xa. Đây là một bước nhảy vĩ đại so với những năm đầu ở thập niên 90 khi người ta chỉ thu lượm vài miligram C60 ở mỗi lần tổng hợp khó khăn và giá cho mỗi gram có lúc lên đến $1500/g. Nhà sản xuất dự đoán nhu cầu C60 sẽ tăng nhanh trong vài năm tới cho việc chế biến dược liệu, dầu nhớt cao cấp và mỹ phẩm trang điểm.

Câu chuyện cô bé Lọ Lem mãi mãi là một câu chuyện tình làm thổn thức nhiều con tim trẻ. Cô bé bị bà mẹ ghẻ hành hạ lúc nào cũng phải quét dọn lò sưởi nên mặt mũi dính đầy lọ nồi. Bà Tiên với chiếc đũa thần biến nàng thành một tiểu thư đài các được trang điểm cực kỳ diễm lệ để dự những buổi khiêu vũ của chàng hòang tử độc thân đa tình. Có lẽ nàng được trang điểm với những mỹ phẩm chứa C60, nàng sẽ đeo những chuỗi kim cương carbon vô giá. Nhưng sau nửa đêm nàng sẽ trở lại cô bé đầy lọ.... Nhìn từ quan điểm của hóa học carbon, chuyện tình khi đượm tính khoa học có thể làm thất vọng nhiều tâm hồn lãng mạn nhưng tất cả chỉ là câu chuyện carbon ở những trạng thái khác nhau!

Trở lại thực tế của thế kỷ 21. Khả năng áp dụng fullerene trong công nghệ cao liên quan đến quang học và quang điện tử đang được tích cực khảo sát ở nhiều cơ quan nghiên cứu trên thế giới. Tạp chí Journal of Materials Chemistry xuất bản một số đặc biệt tổng kết những thành quả mới nhất của nghiên cứu fullerene [4]. Một trong ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt là đặc tính photovoltaic của C60 tức là khả năng biến năng lượng mặt trời thành điện còn gọi là pin mặt trời. Loại pin nầy được chế tạo từ C60 và polymer dẫn điện (electrically conducting polymers). Mặc dù hiệu suất chuyển hoán năng lượng vẫn chưa bì kịp pin mặt trời silicon đang được phổ biến trên thương trường, loại pin mặt trời hữu cơ nầy sẽ cho những đặc điểm không có ở silicon như dễ gia công, giá rẻ, nhẹ, mỏng và mềm.



Ống Nano Carbon

Kroto vì niềm đam mê tái tạo những chuỗi carbon dài trong các đám mây bụi vũ trụ tình cờ phát hiện fullerene. Ngẫu nhiên nầy được nối tiếp với ngẫu nhiên khác. Sáu năm sau (1991), tiến sĩ Sumio Iijima một nghiên cứu viên của công ty NEC (Nhật Bản) cũng vì niềm đam mê tìm hiểu fullerene lại tình cờ phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống nano carbon - "người em họ" của C60 [5]. C60 có hình dạng quả bóng đá, nhưng ống nano carbon (gọi tắt: ống nano) giống như một quả mướp dài với đường kính vài nanometer (nm) và chiều dài có thể dài đến vài trăm micrometer (10-6 m), vì vậy có cái tên gọi "ống nano" (Hình 1h và 5). Với đường kính vài nm ống nano carbon nhỏ hơn sợi tóc 100 000 lần. Chỉ trong vòng vài năm từ lúc được phát hiện, "người em họ" cho thấy có rất nhiều ứng dụng thực tế hơn C60. Cấu trúc hình ống có cơ tính (mechanical properties) và điện tính (electrical/electronic properties) khác thường và đã làm kinh ngạc nhiều nhà khoa học trong các cơ quan nghiên cứu, đại học và doanh nghiệp trên thế giới. Ống nano có sức bền siêu việt, độ dẫn nhiệt cao (thermal conduction) và nhiều tính chất điện tử thú vị. Với một loạt đặc tính hấp dẫn nầy nhiều phòng nghiên cứu đã phải chuyển hướng nghiên cứu từ C60 sang ống nano.


Hình 5: Ống nano carbon

Việc chế tạo ống nano có thể thực hiện bằng cách phóng điện hồ quang (arc discharge) hoặc dùng laser (laser ablation) trên một vật liệu gốc chứa carbon hoặc phun vật liệu nầy qua một lò ở nhiệt độ 800 - 1200 °C (chemical vapour deposition, CVD). Hình thành ống carbon không phức tạp nhưng tạo ra những ống nano giống nhau cùng đặc tính trong những đợt tổng hợp khác nhau và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất đòi hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác. Tùy vào điều kiện chế tạo và vật liệu gốc người ta có thể tổng hợp ống nano một vỏ (single-wall carbon nanotube, SWNT), vỏ đôi (double-wall carbon nanotube, DWNT) và nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT). MWNT là một tập hợp của SWNT giống như con búp bê Nga (Russian doll) (Hình 6). Ống nano được Iijima phát hiện đầu tiên thuộc loại MWNT. Richard Smalley (Rice University) một lần nữa đã phát huy tài năng của mình qua phương pháp laser để chế tạo SWNT với hiệu suất rất cao. Phương pháp nầy đã được thương mãi hóa để sản xuất SWMT cho công nghệ. Giá cho SWNT và DWNT tinh chế vẫn còn rất cao ở mức $500/g. MWNT dễ tổng hợp hơn SWNT nên giá ở mức $100/g. Gần đây Mitsui (Nhật Bản) có thể sản xuất 120 tấn MWNT/năm cho nhu cầu công nghệ với giá $75/kg.


Hình 6: Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử. Khoảng cách giữa hai vỏ là 0.34 nm và đường kính của vỏ ngoài cùng là 6.5 nm [5].

Người ta đã định được độ bền (strength) và độ cứng (stiffness, Young's modulus) của ống nano. Kết quả thí nghiệm cho thấy ống nano bền hơn thép 100 lần nhưng nhẹ hơn thép 6 lần. Như vậy, có thể nói là ống nano là một vật liệu có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Tuy nhiên, một vấn đề lớn hiện nay cho các nhà vật liệu học (materials scientist) là làm sao xe những ống nano thành tơ sợi (nanotube fibres) cho những ứng dụng thực tế mà vẫn giữ được cơ tính tuyệt vời cố hữu của các ống nano tạo thành. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) [6] đã phát minh ra một quá trình xe sợi ống nano cho ra sợi với cơ tính cao hơn thép và tương đương với tơ nhện (spider silk). Tơ nhện được biết là một loại tơ thiên nhiên có cơ tính cao nhất trong các loại tơ sợi. Kinh nghiệm cho thấy một con ruồi bay với tốc độ cao nhất vẫn không bao giờ làm thủng lưới nhện. Nếu sự kiện nầy được phóng đại vài chục ngàn lần để sợi tơ nhện có đường kính bằng cây bút chì, sợi tơ có thể kéo ngừng lại chiếc phi cơ 747 đang bay trên không!

Mặc dù độ cứng của sợi ống nano do nhóm Baughman làm ra chỉ bằng 1/10 độ cứng của từng ống nano riêng lẻ, sợi Baughman vẫn chưa phải "siêu cứng" nhưng đã hơn hẳn Kevlar [7] về sức bền và nếu điều kiện sản xuất hàng loạt cho phép nó có thể thay thế Kevlar dùng trong những chiếc áo giáp cá nhân chống đạn trong tương lai. Quá trình xe sợi của nhóm Baughman chứng tỏ khả năng chế tạo sợi ống nano với những cơ tính vĩ mô càng lúc càng gần đến cơ tính ở thang phân tử. Quá trình nầy đã kích động nhiều nhóm nghiên cứu khác trong cuộc chạy đua chế tạo ra một loại sợi siêu cứng, siêu bền và siêu hữu ích chưa từng có trong lịch sử khoa học kỹ thuật.

Với dạng hình ống dài và cơ tính lý tưởng, ống nano carbon được cho vào các loại polymer (plastic) để tạo những sản phẩm nano-composite [8]. Thật ra, composite dùng những chất độn (filler) có hình dài để tăng cơ tính không phải là những gì mới lạ. Từ 6000 năm trước nhân loại đã trộn bùn với rơm để làm gạch. Ở những vùng sâu vùng xa người dân vẫn còn dùng đất sét và rơm để làm tường. Hiện tại, chất độn kim loại hay ceramic là những vật liệu phổ biến được dùng trong polymer để tăng cường cơ tính thay thế kim loại. Người ta tin rằng ống nano carbon sẽ là một chất độn "tối thượng" cho polymer nano-composite. Vài phần trăm ống nano carbon có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai (toughness) của polymer (plastic) lên nhiều lần. Các công ty chế tạo ô tô đang triển khai polymer nano-composite cho các bộ phận xe hơi. Đặc điểm của các composite nầy là nhẹ và bền chắc. Công ty ô tô GM (Mỹ) dự trù sẽ dùng 500 tấn ống nano/năm trong vòng vài năm tới. Một cơ tính khác của ống nano đang được khảo sát hiện nay là đặc tính làm giảm sốc (shock damping), chống rung [9]. Tính chất rất quan trọng nầy sẽ mang đến những ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng.

Điện tính và đặc tính điện tử của ống nano đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật lý và thiết kế điện tử vi mạch. Nhờ ở dạng hình ống và các electron tự do pi trong ống, các electron tự do có thể tải điện nhưng ít chịu sự phân tán electron (gọi là ballistic conduction). Sự phân tán electron là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất bán dẫn hay kim loại. Nói một cách khác, ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu vì ít phát nhiệt.

Công nghiệp điện tử được xây dựng và phát triển dựa vào kỹ thuật thu nhỏ. Transistor là một linh kiện chính trong các mạch điện. Phương pháp "từ trên xuống" đã được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to khoảng vài cm ở thời điểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay thì đến bậc nanometer; vài triệu lần nhỏ hơn. "Định luật" Moore (Moore's law) cho biết rằng cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được nhồi nhét vào một silicon chip sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính của silicon. Định luật đã đúng hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 và cũng sẽ tiếp tục đúng trong vòng 10 năm tới. Lúc đó đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ đến một mức bảo hòa và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó. Độ nhỏ nhất có thể đạt được của một silicon chip là 180 nm và cũng là giới hạn trong kỹ thuật làm chip hiện nay. "Độ lớn" 180 nm rất nhỏ (nhỏ hơn sợi tóc 500 lần) và hiệu năng tải điện của silicon càng giảm vì càng nhỏ sự phát nhiệt càng cao. Tuy nhiên 180 nm vẫn còn rất to so với đường kính vài nm của ống nano. Ở kích thước nầy ống nano vẫn còn có thể tải điện mà không sợ phát nhiệt. Như vậy, đặc tính tải điện không phát nhiệt và khả năng tạo thành các linh kiện điện tử như diode và transistor của ống nano ở kích thước phân tử chỉ ra một hướng nghiên cứu mới là nano-điện tử (nano-electronics) nối tiếp vai trò thu nhỏ của vi điện tử (micro-electronics) mà silicon đang ở địa vị độc tôn.

Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ trường (field emission). Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano đầu kia sẽ liên tục phát ra electron [10]. Đã có nhiều vật liệu hoặc trang cụ (thí dụ: ống tia âm cực, cathode ray tube) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại. Áp dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn hình TV và vi tính. Đây là một công nghệ mang lại hằng tỉ đô la mỗi năm. Màn hình mỏng tinh thể lỏng đang thay thế dần các màn hình ống tia âm cực nặng nề, kềnh càng. Ống nano có thể làm màn hình mỏng hơn nữa, rõ nét và dùng điện 10 lần ít hơn. Đặc tính phát xạ trường của ống nano cho thấy khả năng thay thế màn hình tinh thể lỏng trong một tương lai gần mặc dù màn hình nầy hiện rất thông dụng và đang được ưa chuộng. Tập đoàn Samsung (Hàn Quốc) tích cực thương mãi hoá màn hình ống nano.

Ngoài ra, ống nano còn cho nhiều áp dụng khác chẳng hạn dùng trong bộ cảm ứng (sensor) để phát hiện ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ hoặc những hóa chất độc hại với độ nhạy rất cao. Ống nano tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để biến chế thành cơ bắp nhân tạo (artificial muscle, actuator). Cơ bắp nhân tạo là một mô phỏng của cơ bắp sinh vật biến đổi điện năng thành cơ năng; khi có một dòng điện chạy qua cơ bắp sẽ cho một tác lực. Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng tạo thành con robot hoặc hệ thống cơ điện vi mô (microelectronic mechanical system, MEMS). Nhóm nghiên cứu của giáo sư Gordon Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có những thành quả nổi bật trong lĩnh vực nầy. Ống nano cũng có mặt trong sinh học. Một báo cáo khoa học gần đây cho biết tế bào xương rất tương thích (compatible) với ống nano [11]. Ống nano được sử dụng như giàn giáo (scaffold) để các tế bào xương tăng trưởng và phát triển. Phương pháp nầy có thể triển khai trong việc ghép và trị liệu xương.



* * * * * * *



Trong lĩnh vực áp dụng, ống nano hơn hẳn người anh cả fullerene. Khi những nhà khoa học cùng với các doanh nhân loay hoay tìm kiếm một hướng đi thực dụng cho C60 thì bỗng nhiên thấy kho tàng ống nano hiện ra trước mắt. Quả bóng đá C60 đã đem giải Nobel cho Kroto, Curl và Smalley, nhưng ống nano đang đem đến con người nhiều áp dụng thực tiễn và một cuộc cách mạng khoa học chưa từng có bao trùm tất cả mọi hoạt động kinh tế xã hội mà ở thời điểm phát hiện Sumio Iijima có thể chưa hình dung hết. Sự khám phá fullerene và ống nano carbon đang làm thay đổi toàn diện bộ mặt phát triển khoa học và công nghệ của thế kỷ 21. Cơ tính, điện tính, sự truyền nhiệt và tính dẫn điện đặc biệt của ống nano đưa đến hàng trăm đặc tính hữu dụng khác nhau đã kích thích vô số nghiên cứu cơ bản đa ngành cũng như những nghiên cứu ứng dụng từ vật liệu học đến điện tử học, từ vật lý đến y học.

Những kết quả nghiên cứu đã cho thấy ống nano đang trở thành một bộ phận cấu thành chủ yếu cho các dụng cụ điện tử tương lai. Sự hiện diện của ống nano trong các áp dụng điện tử học đã làm các nhà thiết kế vi mạch phải suy nghĩ lại cơ cấu vận hành của các công cụ máy móc dựa trên silicon chip. Liệu ống nano sẽ bổ sung cho silicon trong tương lai hay thời đại silicon sẽ chấm dứt để nhường bước cho thời đại ống nano? Dù ở kịch bản nào, những linh kiện điện tử sẽ phải thu nhỏ đến thang phân tử. Phương pháp "từ trên xuống" sẽ được thay thế bằng phương pháp "từ dưới lên". Chúng ta sẽ thấy transistor phân tử (molecular transistor), diode phân tử, tụ điện phân tử v.v.... Thời đại phân tử điện tử học (molecular electronics) sẽ xuất hiện với những định luật mới dựa trên cơ học lượng tử và một loạt dụng cụ điện tử thu nhỏ ở kích thước nano. Chúng ta đang vươn tới nền công nghệ nano. Liệu lúc đó ống nano có là một vật liệu chủ yếu như silicon trong ngành vi điện tử hiện tại? Chúng ta hãy chờ xem.





25 April 2006 (Shizukana aki no hi)

TVT



Ghi Chú và Tài Liệu Tham Khảo

1. Đường kính một nguyên tử vào khoảng 0.1 nm.

2. Phương pháp "từ trên xuống" là dùng những vật liệu to rồi biến chế thành những công cụ nhỏ. Một thí dụ điển hình của phương pháp nầy là chế tạo silicon chip cho máy vi tính. Chip được chế tạo càng lúc càng nhỏ để làm ra những máy vi tính càng hữu hiệu, gọn và mỏng. Một thí dụ của phương pháp "từ dưới lên" là quá trình tổng hợp protein của các vật sống (living body). Phân tử DNA tạo ra RNA để chuyển hóa tạo ra protein với các chức năng khác nhau. Các protein lại kết hợp với nhau để tạo ra tế bào ở một bậc cao hơn rồi sau đó tạo ra vật thể. Quá trình thụ tinh tạo phôi rồi tạo ra sinh vật và con người là một thí dụ tương tự. Trong ngành công nghệ nano chúng ta đang bắt chước thiên nhiên trong quá trình "từ dưới lên".

3. E. Osawa, Kagaku (Chemistry) 1970, 25 (9), 854

4. "Functionalised Fullerene Materials", Journal of Materials Chemistry 2002, 12 (7)

5. S. Iijima, MRS Bulletin November 1994, volume XIX, 43

6. A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and R. H. Baughman, Nature 2003, 423, 703

7. Kevlar là thương hiệu của sợi poly-paraphenylene terephthalamide được dùng trong áo giáp và mũ cối quân đội.

8. Composite là vật liệu hỗn hợp của (ít nhất) hai vật liệu riêng biệt với những đặc tính bổ sung cho nhau. Bùn và rơm là một thí dụ. Bê tông cũng là một dạng composite.

9. J. Suhr, N. Koratkar, P. Keblinski and P. Ajayan, Nature Materials 2005, 4, 134

10. P. G. Collins and P. Avouris, Scientific American December 2000, 62

11. L. P. Zanello, B. Zhao, H. Hu, R. C. Haddon, Nano Lett. 2006, 6, 562

Sử dụng hạt nanô từ tính để chế tạo vật liệu nhớ hình điều khiển bằng từ trường

Andreas Lendlein và đồng nghiệp ở Viện nghiên cứu cao phân tử, thành phố Teltow, CHLB Đức đã sử dụng hạt nanô từ tính kết hợp với các cao phân tử (Polymer) nhớ hình nhiệt để lần đầu tiên chế tạo vật liệu nhớ hình điều khiển bằng từ trường. Đây là một nghiên cứu rất có triển vọng ứng dụng làm các vật liệu cấy vào cơ thể người.

Các nghiên cứu về vật liệu nhớ hình từ trước đến nay đều dựa trên nguyên tắc: nhiệt độ thay đổi dẫn đến hình dạng thay đổi. Khi nhiệt độ trở về nhiệt độ ban đầu thì vật liệu cũng trở lại hình dạng như cũ. Các vật liệu nhớ hình có thể là hợp kim hoặc các cao phân tử. Tuy nhiên, có một khó khăn khi ứng dụng vật liệu này trong y sinh học, đó là phải thay đổi nhiệt độ của môi trường. Andreas Lendlein và đồng nghiệp đã nghiên cứu vật liệu nhớ hình nhiệt dựa trên cao phân tử polyetherurethane (TFX) và poly(p-dioxanone) (PDC) kết hợp với các hạt nanô từ tính Fe2O3. Các hạt nanô được bao bọc bởi silica phân bố trong TFX có tác dụng là nguồn phát nhiệt để hai cao phân tử nói trên thay đổi hình dạng. Bằng cách tác dụng một từ trường ngoài xoay chiều với tần số 258 Hz, cường độ 30 kA/m các tác giả có thể làm cho vật liệu thay hình đổi dạng theo ý muốn. Xem thêm chi tiết bằng tiếng Anh ở đây.

Ô tô nhỏ nhất thế giới và cách vận hành nó

Hình bên: chiếc ô tô nhỏ nhất thế giới kích thước 3-4 nm di chuyển trên bề mặt một đế vàng nhờ nhiệt lượng.

Cuối tháng 10 năm 2005, các nhà khoa học thuộc Đại học Rice của Hoa Kỳ đã công bố chế tạo được chếc ô tô nhỏ nhất thế giới có kích thước nano mét. Đó là một chiếc ô tô tạo thành từ một phân tử duy nhất gồm các nguyên tử Các bon. Chiều dài chiếc ô tô từ 3-4 nm, chỉ nhỉnh hơn bề ngang của chuỗi ADN một chút. Bánh ô tô chính là một lồng các bon tạo thành từ 60 nguyên tử. Chiếc ô tô nano này được đặt trên một đế phẳng bằng vàng. Bằng kính hiển vi đầu dò, người ta có thể xác định chiếc ô tô tại các thời điểm khác nhau. Thay đổi nhiệt độ của đế vàng, chiếc ô tô có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác (xem chi tiết bằng tiếng Anh ở đây).


Hình bên: chiếc ô tô nm được gắn động cơ chạy bằng năng lượng lấy từ ánh sáng.

Hôm nay, nhóm nghiên cứu trên kết hợp với một nhón nghiên cứu ở Đại học Groningen (Hà Lan) đã gắn một "động cơ" nanô vào chiếc xe tí hon kia. Động cơ nanô này hoạt động nhờ năng lượng ánh sáng từ bên ngoài. Nó sẽ quay và làm cho ô tô chuyển động (xem chi tiết bằng tiếng Anh ở đây).

Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các hạt nano oxít sắt từ tính dùng trong các ứng dụng trong y sinh học và môi trường

Hình: khuẩn E Coli được dùng để nghiên cứu quá trình nhả thuốc của các hạt nanô từ tính

(Sẽ được báo cáo tại Hội nghị Khoa học sinh viên, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, tháng 5/2006)

Các hạt nano oxít sắt từ tính đã được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa dùng dung dịch chứa hỗn hợp ion Fe2+ và Fe3+ với tỷ lệ mol thích hợp phản ứng với dung dịch NH4OH trong môi trường không khí và môi trường bảo vệ (N2). Lần đầu tiên chúng tôi có thể chế tạo các hạt nano từ tính với kích thước khác nhau (~10 - 30 nm) bằng cách thay đổi nồng các chất tham gia phản ứng. Các phép đo nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua xác định được các hạt là Fe3O4 với kích thước hạt phân bố khá đồng nhất. Các phép đo từ độ theo từ trường và theo nhiệt độ bằng từ kế mẫu rung cho thấy phần lớn các mẫu, phụ thuộc vào kích thước hạt, thể hiện tính chất sắt từ tại nhiệt độ thấp và tính siêu thuận từ tại vùng nhiệt độ phòng (giá trị từ độ bão hòa có thể đạt đến 80 emu/g). Việc làm khớp đường cong từ độ theo hàm Langevin với một hàm phân bố kích thước hạt cho kết quả khá phù hợp với các phép đo khác. Tiếp theo, các hạt nano từ tính đã được bao bọc bởi một hay hai lớp phân tử các chất hoạt hoá bề mặt (HHBM) là Oleic acid (OA) và Oleic acid/Sodium Dodecyl Sulfat (SDS) theo mong muốn để phân tán vào các dung môi phân cực và không phân cực. Đối với một lớp OA, phép phân tích TGA cho thấy chỉ có một lớp nguyên tử OA bao bọc xung quanh hạt với liên kết giữa chúng là liên kết ion (xác định từ phép đo phổ hấp thụ hồng ngoại). Hạt nano siêu thuận từ với các chất HHBM có thể ứng dụng trong sinh học và môi trường. Phân tử thuốc kháng sinh Chloramphenicol được điền kẽ vào giữa hai lớp phân tử OA và lớp SDS và nghiên cứu quá trình nhả thuốc đối với khuẩn Ecoli đã có tác dụng. Sử dụng hạt nano từ tính để làm sạch nước trong môi trường giúp cho quá trình lắng đọng chất bẩn nhanh hơn hàng chục lần so với trường hợp không dùng hạt nano.

Làm sạch nước bằng hạt nanô từ tính

Một nhà khoa học Nhật bản của đại học Utsunomiya là Tiến sỹ Yasuzo Sakai đã triển khai một máy lọc nước thải sử dụng hạt nanô từ tính. Nguyên tắc làm việc của chiếc máy đó như sau: sử dụng một loại vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn trong nước thải, nhiệm vj của loại vi khuẩn này có tác dụng như một chiếc máy “gom rác”. Sau khi ăn no, vi khuẩn sẽ nặng hơn và lắng đọng nhanh xuống dưới đáy. Tuy nhiên, quá trình lắng đọng do lực hấp dẫn của trái đất nên thời gian tiêu tốn sẽ rất lâu. Tiến sỹ Yasuzo Sakai có sáng kiến sử dụng hạt nanô từ tính ôxít sắt để hòa tan vào trong nước thải. Khi vi khuẩn ăn chất bẩn, chúng sẽ ăn cả hạt nanô và bị nhiễm từ. Sử dụng một thanh nam châm bên ngoài làm cho quá trình lắng đọng chất bẩn trong nước thải nhanh hơn một trăm lần so với quá trình lắng đọng do hấp dẫn của trái đất. Ông đã thiết kế được một mô hình lọc nước và thử nghiệm ở Bangladesh. Xem thêm chi tiết bằng tiếng Anh ở đây.

Biology teacher

 
Here is one of my best Taiwanese friend, Courtney. She was trying to explain the unique character of the Taiwanese maple leaves on a trip to visit a national park in Taichung.
 

Chế tạo và ứng dụng hạt nanô từ tính trong sinh học

(Báo cáo tại Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ 6, 2005)

Tóm tắt
Bài này trình bày tổng quan về các phương pháp chế tạo của hạt nanô và ứng dụng trong y sinh học. Hạt nanô từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nanô và hình thành hạt nanô từ các nguyên tử. Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,...) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí). Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể (phân tách tế bào) và trong cơ thể (dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân). Một số nghiên cứu đang được triển khai tại ĐHQGHN kết hợp với ĐHQGHCM cũng được trình bày.

Mở đầu
Công nghệ nanô đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người tại kích thước nanô mét, tại đó, vật liệu nanô thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú [1]. Một nhánh quan trọng của công nghệ nanô, đó là lý sinh học nanô, trong đó, vật liệu nanô được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lý sinh học nanô đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nanô [2]. Trong bài này, chúng tôi xin trình bày tổng quan một số phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu điển hình trong đó có sử dụng các hạt nanô từ tính. Các hạt nanô từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm). Chính vì thế mà hạt nanô có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào [3]. Từ trường không có hại đối với con người nên các hạt nanô từ tính được quan tâm sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn đoán và chữa bệnh.

Vật liệu từ tính
Bất cứ vật liệu nào đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số c = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau. Vật liệu có c < 0 (~-10^-6) được gọi là vật liệu nghịch từ. Vật liệu có c > 0 (~10^-6) được gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có c > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferri từ [4]. Ở đây, vật liệu từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ (sẽ nói đến sau đây). Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nanô mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferri từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) [2]. Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính.
Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học thường ở dạng chất lỏng từ (CLT), hay còn gọi là nước từ. Một CLT gồm ba thành phần: hạt nanô từ tính, chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM), và dung môi. Hạt nanô từ tính là thành phần duy nhất quyết định đến tính chất từ của CLT. CHHBM có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài. CHHBM còn có tác dụng “che phủ” hạt nanô khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể và tạo các mối liên kết hóa học với các phân tử khác. Dung môi là chất lỏng mang toàn bộ hệ [5].

Chế tạo hạt nanô từ tính
Hạt nanô từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nanô (top-down) và hình thành hạt nanô từ các nguyên tử (bottom-up). Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,... [6]) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi,...) [3]. Phần dưới đây chỉ trình bày sơ lược những phương pháp phổ biến nhất.
3.1. Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo CLT dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4, được nghiền cùng với CHHBM (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane). CHHBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHHBM và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nanô không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nanô. CLT chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý [5].
3.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nanô từ cũng được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nanô với độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học. Nguyên tắc tạo hạt nanô bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân rã [3].
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nanô. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới. Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt... Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô-xít sắt. Hydroxide sắt bị ô-xi hóa một phần bằng một chất ô-xi hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước. Kích thước hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch. Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nanô. Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các mixen). Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nanô bị hạn chế và tạo nên các hạt nanô rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm [7]. Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ô-xít sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh ô-xi hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nanô kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe,... Các hạt nanô kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Dung dịch được điều khiển nhiệt độ để làm tăng giảm động học của quá trình kết tủa thu được các hạt có hình dạng và kích thước rất xác định. Một phương pháp khác nữa là phân ly nhiệt. Sự phân ly của các hợp chất chứa sắt với sự có mặt của một CHHBM ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể chất lượng của các hạt nanô.
Trong phương pháp tạo hạt từ thể hơi, sự nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser là những kĩ thuật rất tốt để tạo ra trực tiếp và liên tục các hạt nanô từ tính. Sự khác biệt giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser ở trạng thái cuối cùng của vật liệu. Ở phương pháp nhiệt phân bụi hơi, hạt nanô thường kết tụ thành từng đám còn ở phương pháp nhiệt phân laser thì không. Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi là chất rắn được hình thành khi chất lỏng dung dịch được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó, quá trình chất lỏng bốc bay, chất rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất lỏng. Kết quả thu được là chất rắn xốp. Phương pháp nhiệt phân laser sử dụng laser CO2 để khởi động và duy trì phản ứng hóa học. Khi áp suất và năng lượng laser vượt quá ngưỡng nhất định, quá trình hình thành hạt nanô sẽ xảy ra. Kết quả là các hạt nanô có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không bị kết tụ.

Ứng dụng của hạt nanô từ tính
Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ [2, 7].
4.1. Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô-xít sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi [7]. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét.
Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau:
F = 6 pi n R Dn
Trong đó n là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R là bán kính của hạt từ tính, Dn là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước.
Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình 1. Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại.
4.2. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970 [], những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô. Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng.
Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,... Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn.
4.3. Tăng thân nhiệt cục bộ
Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 °C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nanô cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt nanô thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Vì vậy, ở đây chúng tôi chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay mô men từ của hạt. Hai quá trình quay này được đặc trưng bới hai thông số là thời gian hồi phục Brown ( ) và thời gian hồi phục Néel ( ). Lượng nhiệt thoát ra được cho bởi phương trình sau:
P = m0 pi f c H²
trong đó m0 là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chiều, c là thành phần lệch pha của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cường độ từ trường. Nếu chuyển động của hạt nanô từ tính lệch pha so với từ trường thì một phần năng lượng từ chuyển thành nội năng của hệ. Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01 T [7].
4.4. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ
Mặc dù mômen từ của một prôtôn rất nhỏ (1,5´10-3 ) nhưng trong cơ thể động vật có một lượng rất lớn prôtôn (hạt nhân nguyên tử hiđrô của phân tử nước, 6,6´10-19) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được. Nếu tác dụng một từ trường cố định có cường độ = 1 T cùng với một từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cố định và có tần số bằng tần số tuế sai Larmor của prôtôn thì sự hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy ra. Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ hồi chuyển
Rad.s-1.T-1. Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz. Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, prôtôn sẽ tuế sai xung quanh hướng của từ trường. Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếu hơn nhiều so với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng tần số tuế sai nên mô mentừ của prôtôn sẽ hướng theo phương của từ trường xoay chiều, tức là vuông góc với từ trường cố định. Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ trở lại phương của từ trường cố định (xem hình 2). Quá trình hồi phục phụ thuộc vào hai thông số, đó là, thời gian hồi phục dọc T1 và thời gian hồi phục ngang với phương từ trường cố định T2 cho bởi công thức:
mz = m[1-exp(-t/T1)]
mxy = m sin(wt+phi) exp(-t/T2)
t là thời gian và phi là hằng số pha. T1 đặc trưng cho sự mất mát nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, T2 đặc trưng cho sự lệch pha của prôtôn với từ trường xoay chiều. Tuy nhiên sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2*:
1/T2* = 1/T2 + g DB/2
DB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ trường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ.
Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi có mặt của hạt nanô từ tính. Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ ô-xít sắt hoặc hợp chất chứa Gd thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ. Sự có mặt của chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị rất nhiều. Giá trị của cũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu hơn. Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu. Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30 nm được bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác.

Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc chế tạo các hạt nanô từ đã được thực hiện một vài năm trước đây bằng phương pháp hóa, phương pháp phún xạ,... Phương pháp cơ học (nghiền) cũng bắt đầu được chúng tôi thử nghiệm. Có điều đặc biệt là các nghiên cứu chế tạo hạt nanô từ đều tập trung định hướng vào các ứng dụng trong y-sinh học. Ngoài các ứng dụng để tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ đã nêu ở trên, chúng tôi còn quan tâm đến việc chế tạo các hạt nanô từ mang các chất phát quang. Khi đi vào cơ thể, các hạt mang loại này sẽ khu trú tập trung tại các vùng bệnh. Kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang, dựa vào cường độ phản xạ ra bên ngoài chúng ta có thể đóan nhận được vị trí của các mầm bệnh và có các biện pháp điêù trị kịp thời. Đề tài đang được thực hiện trên cơ sở gợi ý của một số công ty khoa học. Để giải quyết bài toán này, ngoài việc nghiên cứu quá trình sinh hóa trong cơ thể, các phương pháp tăng hiệu quả dẫn truyền hạt nanô, còn phải tìm ra các vật liệu phát quang tốt có khả năng kết hợp với các hạt nanô từ.

Tài liệu tham khảo
1. Pitkethly, M.J., Nanotoday, 7 (2004) 20.
2. Leslie-Pelecky, D.L., V. Labhasetwar, and J. Kraus, R.H., Nanobiomagnetics, in Advanced Magnetic Nanostructures, D.J. Sellmyer and R.S. Skomski, Editors. 2005, Kluwer: New York.
3. Tartaj, P., M.d.P. Morales, S. Veintemillas-Verdaguer, T. Gonzalez-Carreno, and C.J. Serna, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R182.
4. Chikazumi, S., Physics of Ferromagnetism. Second ed, ed. J. Birman. 1997, Oxford: Clarendon Press.
5. Rosensweig, R.E., Ferrohydrodynamics. 1985, Cambridge: Cambridge University Press.
6. Hai, N.H., R. Lemoine, S. Remboldt, M. Strand, J.E. Shield, D. Schmitter, R.H. Kraus Jr., M. Espy, and D.L. Leslie-Pelecky, J. Magn. Magn. Mater., 293 (2005) 75.
7. Pankhurst, Q.A., J. Connolly, S.K. Jones, and J. Dobson, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R167.