Phương pháp chế tạo các hạt nano của các vật liệu từ cứng một cách đơn giản

Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã thành công trong việc chế tạo các hạt nano từ cứng dựa trên thành phần Sm-Co, một vật liệu từ cứng cực kỳ quan trọng trong công nghệ.

Nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi J. Ping Liu (Đại học Texas, Hoa Kỳ) đã đạt được thành công từ sự kỳ công của họ bằng cách sử dụng kỹ thuật nghiền bi động năng cao đơn giản mà ở đó các hạt bị treo trong một chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt có kích thước phân bố trong một vùng khá hẹp (tính đồng nhất cao), do đó tạo ra lực kháng từ khá tốt ở nhiệt độ phòng. (Có thể xem chi tiết các kết quả vừa công bố trên Nanotechnology số mới ra).

Các hợp chất liên kim loại đất hiếm - kim loại chuyển tiếp dựa trên thành phần SmCo₅ và Sm₂Co₁₇ là loại vật liệu có dị hướng từ tinh thể rất cao (đạt tới 20.106 J/cm³) và do đó chúng có thể cho lực kháng từ - giá trị từ trường ngược để khử từ độ - cực lớn. Đây là một đặc tính quan trọng cho ứng dụng. Tuy nhiên, do chứa nhiều đất hiếm (Sm) nên chúng rất dễ bị ôxi hóa, đặc tính này càng tăng khi kích thước hạt giảm xuống, điều này có nghĩa là các phương pháp chế tạo truyền thống và phương pháp hóa là ví dụ điển hình, không thích hợp đế sản xuất hạt nano phân tán. Vì thế, từ trước đến nay, chưa từng có nhóm nghiên cứu nào thành công trong việc sản xuất hạt nano Sm-Co từ cứng có tính chất từ cứng ở nhiệt độ phòng.

Hình 1. Ảnh TEM chụp hệ các hạt nano Sm-Co ở các thời gian nghiền khác nhau.

"Sau khi đã chạm trán với những khó khăn chồng chất trong việc chế tạo các hạt nano SmCo bằng các phương pháp hóa, chúng tôi đã thẳng tiến tới thành công trong việc tạo ra các hạt nano từ tính SmCo (rẻ tiền) - chỉ bằng phương pháp nghiền các hạt từ vật liệu khối với thiết bị nghiền bi" - Liu nói với Nanotechweb.org. Mặc dù kỹ thuật nghiền bi là một kỹ thuật rất phổ thông trong việc tạo ra bột vật liệu trong luyện kim và công nghiệp gốm, nhưng thông thường chỉ các hạt ở kích cỡ micromet có thể được tạo ra cho dù nếu có nghiền các vật liệu trong một thời gian rất dài. Điều này là do hạt bị nghiền có thể tự dính liền lại với nhau (quá trình "hàn lạnh") trong quá trình nghiền.

Liu cùng cộng sự đã vượt qua rào cản bằng cách bổ sung thêm một chất hoạt hóa bề mặt vào trong hỗn hợp giúp các hạt mịn được lơ lửng trong dung dịch và không liên kết lại với nhau. Một lợi thế khác đi kèm là các chất hoạt hóa bề mặt lại giúp cho việc bảo vệ các hạt nano khỏi tác động bên ngoài, ví dụ như sự nhiễm bẩn, sự ôxi hóa... có thể làm phá hủy từ tính của vật liệu.

Hình 2. Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của hệ hạt nano (với các kích thước hạt khác nhau). Khi kích thước hạt tăng, lực kháng từ giảm mạnh (xem hình nhỏ chèn bên trong).

Nhóm nghiên cứu cũng phát triển kỹ thuật cho phép lựa chọn kích thước hạt được tạo ra, mà ở đó các hạt khá thô có kích thước từ 15 đến 25 nm được lựa chọn. Các hạt này biểu hiện tính từ cứng ở nhiệt độ phòng với lực kháng từ đạt tới 3 kOe. "Trên thực tế, kỹ thuật nghiền bi với sự hỗ trợ của chất hoạt hóa bề mặt có thể mở rộng để sản xuất bất kỳ loại hạt nano nào" - Liu giải thích. Quả thực vậy, nhóm đã thử kỹ thuật này với một loại vật liệu từ cứng quan trọng khác là NdFeB. "Các hạt nano từ loại này có khả năng ứng dụng trong các nam châm vĩnh cửu có cấu trúc nano, các media ghi từ, các chất lỏng từ và các kỹ thuật điều trị y-sinh - ví dụ như dẫn thuốc hay điều trị ung thư bằng đốt nóng thân nhiệt cục bộ" - Liu nói.

Kết quả nghiên cứu của nhóm vừa được công bố trên tạp chí Nanotechnolog, và hiện tại đang nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và bao phủ lên tính chất của các hạt nano nhằm tăng cường thêm tính từ cứng của hệ vật liệu này. "Chúng tôi cũng đang tiến hành nghiên cứu việc nén chặt các hạt nano bằng cách sử dụng kỹ thuật ép nóng để tạo ra nam châm khối SmCo có cấu trúc nano" - Liu bổ sung.

Xem thêm chi tiết công trình của nhóm này tại đây.

Vạn lý Độc hành