CHƯƠNG 5. THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
5.1. Bắt giữ hạt từ
Trong phần này, các vi cấu trúc từ được sử dụng để quan sát quá trình dịch chuyển và ổn định của các hạt từ. Trước khi nhỏ hạt từ và dung dịch từ, bề mặt các vi cấu trúc từ được che bằng một miếng Si dày 10 µm để thuận tiện cho việc bảo quản và làm sạch vi cấu trúc từ. Hai loại hạt từ đã được sử dụng cho thí nghiệm này là các hạt NdFeB có đường kính trung bình 7 µm đã sử dụng trong chương 4 và dung dịch chất lỏng từ bao gồm các hạt siêu thuận từ Fe3O4 có đường kính 1 ÷ 10 nm, khối lượng riêng 1,43 g/cm3, từ độ bão hòa đạt 25 emu/g (hình 5.1).
Thông thường để có thể thực hiện việc bắt giữ hạt từ, hai điều kiện sau cần phải được thiết lập (tương tự với việc bắt giữ các tế bào sinh học nhưng thay lực hút tới các nam châm bằng lực đẩy ra xa các nam châm):
115
+ Các hạt phải bị hút thẳng tới các nam châm đủ nhanh trước khi trôi theo dòng chất lỏng, tức là Fmz phải lớn.
+ Lực hút tác động lên các hạt khi các hạt chạm tới cạnh, bề mặt nam châm phải cân bằng về độ lớn nhưng ngược hướng với Fd được tạo ra bởi dòng chất lỏng.
(a) (b)
(c)
Hình 5. 1. Dung dịch chứa các hạt siêu thuận từ Fe3O4 (a), đường cong từ trễ của dung dịch (b) và phân bố kích thước hạt của dung dịch (c).
Trong trường hợp tĩnh (Fd = 0), các hạt từ sẽ bị hút và bắt giữ dường như ngay lập tức ở phía trên các cạnh, bề mặt nam châm. Còn trong trường hợp xem xét tới tác động của dòng chảy đẩy hạt ra xa vị trí bề mặt, cạnh của các nam châm thì vị trí cân bằng của các hạt cũng không nằm xa các cạnh của nam châm. Trong trường hợp này các hạt sẽ bị kéo nhẹ tới vị trí mới, nơi mà lực từ tổng cộng được tạo ra làm thành một góc so với trục z. Vị trí cân bằng mới này là một vị trí mà thành phần của lực từ dọc theo trục y cân bằng về độ lớn với lực kéo của dòng chất lỏng (hình 5.2).
116
Hình 5. 2. Vị trí cân bằng của hạt từ bị bắt giữ trên bề mặt của nam châm khi theo dòng chất lỏng chảy qua bề mặt nam châm. Hạt bị đẩy bởi Fd của dòng chất lỏng tới vị trí mà Fd cân bằng với Fmy (hình tròn đứt nét là vị trí cân bằng của hạt từ trong trường hợp tĩnh).
Hai điều kiện được đề cập ở trên thường được tối ưu độc lập, liên quan tới cấu hình của cấu trúc từ như đã được thảo luận ở các chương trước. Để hút các hạt ở xa bề mặt, các vi cấu trúc từ gồm các vi nam châm với kích thước lớn thường được sử dụng. Tuy nhiên, lực tác động mạnh và bắt giữ lại xuất hiện ở gần bề mặt và các cạnh của vi nam châm. Do đó việc bắt giữ các hạt từ thường được tối ưu bằng cách tăng số lượng vi nam châm, giảm khoảng cách giữa các vi nam châm nhưng bề mặt vẫn phải đủ lớn để có thể tác động lực ở những khoảng cách xa.
Ngoài ra người ta có thể điều chỉnh các thông số khác để cải thiện khả năng bắt giữ hạt từ như:
+ Tốc độ dòng chất lỏng: lưu lượng dòng chảy thấp hoặc ở trạng thái tĩnh sẽ cải thiện đáng kể khả năng bắt giữ hạt từ vì các hạt không còn chịu tác động của lực kéo của dòng chất lỏng.
+ Chiều dày lớp bảo vệ: tăng chiều dày lớp bảo vệ đồng nghĩa với việc làm giảm lực từ có thể tác động lên các hạt từ khi chúng được hút về phía bề mặt, cạnh của nam châm, do đó làm giảm hiệu quả quá trình bắt giữ.
+ Tính chất từ và cấu tạo của các hạt từ cần bắt giữ: nếu bán kính hạt từ được duy trì không đổi thì khi tăng từ độ bão hòa hoặc độ cảm từ của hạt sẽ làm tăng lực tác động lên hạt.
117
Các ảnh chụp trên hình 5.3 lần lượt là kết quả phân bố của các hạt từ NdFeB và Fe3O4 trên bề mặt vi cấu trúc từ NdFeB trên đế Si đã tạo hình. Các vi nam châm vuông trong vi cấu trúc từ là những vị trí mà ở trên đó các hạt từ bị bắt giữ. Thí nghiệm này khẳng định việc bắt giữ các hạt từ xảy ra mạnh ở các cạnh và bề mặt của các vi nam châm, nơi mà từ trường và sự biến thiên từ trường là lớn nhất, phù hợp với các thảo luận ở phần 3.4.2. Ngoài ra, chúng ta cũng nhìn thấy một vài hạt từ nằm ngẫu nhiên ở khoảng trống giữa các vi nam châm, nơi xa các vi nam châm. Điều này có thể xảy bởi hai yếu tố: các hạt chịu tác động của một lực từ không đủ mạnh trong khi định vị hoặc các hạt bị bắt giữ bởi sự biến thiên từ trường cục bộ, được gây ra bởi tương tác từ giữa các vi nam châm nằm cạnh nhau.
(a) (b)
Hình 5. 3. Phân bố của các hạt từ NdFeB (a) và hạt Fe3O4 (b) trên miếng Si dày 10 µm đặt trên vi cấu trúc NdFeB chế tạo trên đế Si đã tạo hình.
Có thể thấy các hạt NdFeB bị hút và dính chặt vào các cạnh và bề mặt vi nam châm hơn so với các hạt Fe3O4, nhưng các hạt Fe3O4 lại tập hợp lại với nhau và tái hiện lại cấu hình của cấu trúc từ đồng đều và rõ ràng hơn. Điều này phù hợp với thực tế các hạt NdFeB có từ độ và thể tích lớn hơn các hạt Fe3O4 nên chịu lực tác dụng của các vi nam châm lớn hơn. Các tính toán sử dụng công thức 5.1 cho thấy lực hút lớn nhất tác động lên các hạt NdFeB và Fe3O4 ngay trên bề mặt cấu trúc từ lần lượt là 6,4 µN và 0,5 nN lớn hơn nhiều lần trọng lực của từng hạt.
Hình 5.4 là ảnh chụp lại sự phân bố của hạt từ NdFeB trên vi cấu trúc từ FePt chế tạo trên đế Si phẳng. Kết quả thu được cho thấy vi cấu trúc từ chế tạo được có
118
thể bắt giữ và phân bố các hạt từ theo đúng cấu hình của vi cấu trúc từ nhờ lực hút do vi cấu trúc từ sinh ra tác động lên các hạt từ. Tuy nhiên sự phân bố của các hạt NdFeB chưa đồng đều, nhiều hạt phân bố vào vị trí trống giữa các vi cấu trúc từ. Điều này được giải thích bởi lực liên kết giữa các hạt NdFeB ban đầu khá lớn dẫn tới các đám hạt có kích thước lớn và nhanh chóng rơi xuống bề mặt miếng Si do tác dụng của trọng lực, đồng thời lực hút do cấu trúc từ tác động lên các hạt NdFeB chưa đủ mạnh để phá vỡ được liên kết giữa các hạt NdFeB. Với các hạt từ có sự liên kết giữa các hạt yếu hơn hoặc trọng lực nhỏ hơn thì sự phân bố và sắp xếp của các hạt từ trên bề mặt vi cấu trúc từ này có thể được cải thiện rõ rệt hơn.
Hình 5. 4. Hình ảnh sự phân bố của các hạt NdFeB trên miếng Si dày 10 µm đặt trên vi cấu trúc từ FePt chế tạo trên đế Si phẳng.
Trong phần tiếp theo các vi cấu trúc từ NdFeB chế tạo trên nền PDMS ở chương 4 được dùng để thử nghiệm bắt giữ các hạt từ Fe3O4 trong dung dịch chất lỏng từ. Kết quả thử nghiệm được chụp lại qua các ảnh ở hình 5.5. Ngay khi dung dịch chất lỏng từ được nhỏ lên bề mặt cấu trúc từ, các hạt Fe3O4 di chuyển, sắp xếp, phân bố theo đúng cấu hình của vi cấu trúc từ và bám dính vào miếng Si dưới tác dụng của lực hút từ do cấu trúc từ sinh ra (hình 5.5a). Tuy nhiên sự liên kết giữa các hạt Fe3O4 còn rời rạc, điều này được giải thích bởi hình dạng, kích thước của các vi nam châm (các đám hạt NdFeB) trong vi cấu trúc từ chưa thực sự đồng đều và các hạt NdFeB trong mỗi đám hạt chưa xếp chặt với nhau. Chúng ta có thể quan sát tiếp sự phân bố và sắp xếp của các hạt Fe3O4 trên bề mặt miếng Si khi dung dịch từ khô hoàn toàn (hình 5.5b).
Hình ảnh thu được cho thấy các hạt Fe3O4 co cụm lại, liên kết với nhau chặt chẽ hơn
119
và phân bố đồng đều hơn theo cấu hình của vi cấu trúc từ đặt bên dưới miếng Si. Điều này chứng tỏ số lượng, sự bám dính cũng như phân bố của các hạt từ trên vi cấu trúc từ có thể điều khiển được.
(a) (b)
Hình 5. 5. Hình ảnh các hạt từ Fe3O4 trong dung dịch chất lỏng từ phân bố trên miếng Si dày 10 µm đặt trên vi cấu trúc từ NdFeB trên nền PDMS (a), các hạt từ Fe3O4 còn bám lại trên miếng Si khi dung dịch từ khô (b).
Hình 5. 6. Hình ảnh các hạt Fe3O4 phân bố trên miếng Si dày 10 µm đặt trên vi cấu trúc từ NdFeB chế tạo bằng phương pháp in phun.
Chúng tôi cũng thử nghiệm khả năng bắt giữ các hạt Fe3O4 của vi cấu trúc từ NdFeB chế tạo bằng phương pháp in phun như đã trình bày trong chương 4. Ảnh chụp kết quả thử nghiệm trên hình 5.6 cho thấy các hạt Fe3O4 cũng được bắt giữ và phân bố theo cấu hình của vi cấu trúc, nhưng sự sắp xếpcủa các hạt không chặt chẽ với nhau và rời rạc. Nguyên nhân là do cường độ từ trường và sự biến thiên từ trường trong không gian xung quanh các vi cấu trúc này nhỏ. Ngoài ra, còn do sự phân bố
120
rải rác của các hạt NdFeB trong mỗi ô vuông trong vi cấu trúc từ như đã đề cập ở phần chế tạo vi cấu trúc từ này.