MÔ PHỎNG MONTE CARLO CHO HỆ VI CẦU TỪ TÍNH Fe3O4/POLY(GLYCIDYL METHACRYLATE)
Vật liệu Quang học, Quang điện tử và Quang tử
Luận án trình bày một mô hình nghiên cứu đa chiều nhằm khảo sát chi tiết tính chất từ nội tại của hệ vật liệu vi cầu từ tính Fe3O4/Poly(Glycidyl Methacrylate) (PGMA), ứng dụng trong y sinh học. Công trình được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Nghiên cứu xuất phát từ tính cấp thiết của vật liệu tổ hợp (nanocomposite), đặc biệt là các hạt nano từ nhúng trong polymer phân hủy sinh học, trong các ứng dụng như đánh dấu nhãn sinh học, hệ vi lưu, phân phối thuốc hướng đích, và tăng thân nhiệt cục bộ. Việc xác định chính xác các thông số vi từ nội tại như dị hướng từ, mô-men xoắn, và nhiệt độ khóa là yếu tố then chốt. Tuy nhiên, các phương pháp thực nghiệm hiện đại còn tốn kém, thiếu độ lặp lại cao và khó thực hiện trong điều kiện đặc biệt. Các lý thuyết từ tính và mô phỏng máy tính đã phát triển mạnh mẽ, được hỗ trợ bởi các hệ máy tính hiệu năng cao, cho phép nghiên cứu sâu hơn tính chất vi từ nội tại và giải quyết những hạn chế của thực nghiệm.
Mục tiêu của luận án là xây dựng mô hình nghiên cứu đa chiều kết hợp thực nghiệm, lý thuyết từ tính và mô phỏng máy tính để khảo sát, định lượng và đánh giá chi tiết các tính chất vi từ nội tại của hệ vật liệu tổ hợp. Đối tượng khảo sát cụ thể là vi cầu từ tính Fe3O4/PGMA.
Nội dung nghiên cứu bao gồm: chế tạo và đo đạc các đặc trưng vĩ mô ban đầu của vật liệu bằng phương pháp thực nghiệm; sử dụng tính toán số dựa trên lý thuyết từ để khảo sát các thông số nội tại như hàm phân bố kích thước hạt, hằng số dị hướng từ hiệu dụng, làm thông số đầu vào cho mô phỏng; và thực hiện các phương pháp mô phỏng máy tính như Monte Carlo và mô hình spin nguyên tử để khảo sát, đánh giá và định lượng các thông số vi từ nội tại cũng như hành vi động học từ tính phức tạp của vật liệu.
Kết quả cho thấy vật liệu vi cầu Fe3O4/PGMA có dạng hình cầu, đơn phân tán với kích thước trung bình 1.36 ± 0.09 µm. Các hạt nano Fe3O4 (D=3.76 nm, σp=0.77 nm) phân bố bên trong ma trận polymer PGMA, tạo thành lớp nhiễu loạn từ tính trên bề mặt, làm giảm độ từ hóa bão hòa. Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ, với các thông số từ tính cụ thể. Đặc biệt, vi cầu Fe3O4/PGMA có khả năng hấp phụ ion Chì (Pb2+) với độ hấp phụ cực đại 78.2 mg/g. Mô phỏng Monte Carlo chỉ ra sự kết tụ các hạt nano từ Fe3O4 thành cụm (350-800 nm) do tương tác lưỡng cực, phụ thuộc vào áp suất. Mô phỏng spin nguyên tử xác nhận tính chính xác của các thông số đầu vào thông qua đường cong từ nhiệt và làm rõ vai trò của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực trong tính chất từ, bao gồm hiện tượng spin-glass-like và ảnh hưởng đến nhiệt độ khóa. Luận án cũng đề xuất các kích thước hạt và khoảng cách liên hạt tối ưu cho các ứng dụng y sinh khác nhau, cùng với điều kiện nhiệt độ và góc phương vị tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất.
Mô hình nghiên cứu này đóng góp bằng việc xây dựng một mô hình đa chiều kết hợp thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng máy tính cho vật liệu vi cầu từ tính Fe3O4/PGMA, cung cấp các tiên nghiệm cho thí nghiệm thực nghiệm và lâm sàng, và có thể áp dụng cho các vật liệu tổ hợp khác có cấu trúc tương tự.