Khóa luận Hạt nano từ tính fe3o4: tính chất và ứng dụng để đánh dấu tế bào và xử lí nước bị nhiễm bẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI – 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải HÀ NỘI – 2008 Lời cảm ơn Trong suốt những năm tháng học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano, em đã được tạo mọi điều kiện thuận lợi để thực hiện công việc học tập và nghiên cứu của mình, đồng thời em cũng nhận được sự quan tâm của các thầy, cô giáo. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới sự giúp đỡ đó. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy tại Trung tâm Khoa học vật liệu-Đại học khoa học tự nhiên đã cho em những điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu cũng như quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Chính nhờ sự quan tâm, chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy mà em đã có được những kinh nghiệm quý báu trong công việc cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian nghiên cứu của mình. Với sự quan tâm hướng dẫn cụ thể của thầy em đã từng bước làm quen với quá trình nghiên cứu và đã có những thành quả nhất định. Trong suốt quá trình được thầy hướng dẫn em cũng học được rất nhiều từ thầy về kiến thức chuyên môn, tác phong làm việc và những điều bổ ích khác. Chính nhờ những điều đó em mới có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Tiến sĩ Huỳnh Đăng Chính, người đã tạo những điều kiện tốt nhất, giúp đỡ em thực hiện những thí nghiệm của mình trong quá trình nghiên cứu, thực hiện khóa luận tốt nghiệp và những ý kiến đóng góp quý báu của thầy với khóa luận tốt nghiệp của em. Em xin gửi lời cảm ơn anh Nguyễn Đăng Phú, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm của mình. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 5 năm 2008 Sinh viên Lưu Mạnh Kiên Tóm tắt nội dung Trong khóa luận tốt nghiệp này chúng tôi tập trung nghiên cứu về hạt nano từ tính Fe3O4, chúng tôi tiến hành chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 bằng một số phương pháp khác nhau, sau đó nghiên cứu những tính chất cơ bản nhất của hạt nano từ tính Fe3O4 như phổ nhiễu xạ tia X, chụp ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua và các tính chất từ. Đồng thời chúng tôi cũng thực hiện các ứng dụng về sinh học và môi trường sử dụng hạt nano từ tính Fe3O4, cụ thể chúng tôi đã chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe3O4 để tạo ra nhóm chức amino, phục vụ cho các ứng dụng về y, sinh học, tiếp đó sử dụng các hạt nano từ tính Fe3O4 đã được chức năng hóa bề mặt để đánh dấu các tế bào bạch cầu ở trong máu. Và một ứng dụng khác nữa là chúng tôi thử nghiệm dùng hạt nano từ tính để xử lý nước bị nhiễm bẩn. Mục lục……………………………………………………………………..Trang Mở đầu …………………………………………………………………………………1 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN………………………………....……4 Vật liệu sắt từ…………………………………………………………...………4 Tính chất siêu thuận từ………………………………………………….………4 Ôxit sắt từ……………………………………………………………...………..7 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM…………………….……… 10 2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu………………………………………...………10 2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa……………………………………………………...10 2.1.2. Phương pháp hóa học để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4………………..….….11 2.1.3. Phương pháp vi nhũ tương……………………………………………………..12 2.2. Các phương pháp phân tích…………………………………………………….13 2.2.1.Phương pháp nghiên cứu tính chất từ bằng hệ  từ kế mẫu rung (VSM)…………………………….…………………...………13 2.2.2. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X…………….….………………… ..….14 2.2.3.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…………………………………………16 2.2.4. Phương pháp xác định nống độ Asenic bằng máy đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……………………………………………...…..…...17 2.2.5. Kính hiển vi huỳnh quang……………………………………………...………17 2.2.6. Máy đo phổ hấp thụ (UV-Vis)………………………………………..……….19 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4……………………………………………………….…….20 3.1. Một số tính chất của hạt nano từ tính Fe3O4 ………………..………….…….…20 3.1.1. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 ……………………….….……20 3.1.2. Ảnh TEM của mẫu hạt nano từ tính Fe3O4......................................................22 3.1.3. Tính chất từ..................................................................................................... 23 3.2. Ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong đánh dấu  và tách chiết tế bào..........................................................................................24 3.2.1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe3O4................................................24 3.2.2. Đánh dấu tế bào và tách chiết tế bào...............................................................28 3.2.2.1. Quá trình gắn kết hạt nano từ tính Fe3O4 với kháng thể antiCD4...................28 3.2.2.2. Gắn kết với tế bào bạch cầu.............................................................................30 3.2.2.3. Nhận xét...........................................................................................................33 3.3. Ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong xử lý nước bị nhiễm bẩn..............................33 3.3.1. Chế tạo mẫu…………………………........…………………………..………33 3.3.2. Ứng dụng trong nước bị nhiễm asenic……………………………….....……35 Kết uận…………………………………………………………………….....…...….37 Mở đầu Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, cụm từ Khoa học và công nghệ nano dường như đã trở nên khá quen thuộc. Ngày nay công nghệ nano đang là một hướng nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của rất nhiều quốc gia, các tổ chức khoa học, các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu và rất nhiều người quan tâm… Công nghệ nano đã được triển khai nghiên cứu rộng khắp trên phạm vi toàn cầu với nhiễu lĩnh vực khác nhau và bước đầu đã cho ra đời những sản phẩm ứng dụng công nghệ nano. Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học, đối với vật liệu nano chúng mang trong mình những đặc điểm và tính chất mới lạ, thứ nhất phải kể đến là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử, các quy luật vật lý cổ điển không còn đúng đối với các hệ kích thước nhỏ mà thay vào đó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lượng vật lý bị lượng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỉ lệ càng lớn, hay nói một cách khác là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng càng lớn, và cuối cùng là hiệu ứng kích thước tới hạn, mỗi loại vật liệu thì luôn tồn tại một kích thước mà tại đó xảy ra sự thay đổi lớn về tính chất (chuyển pha), thông thường kích thước này là 100 nm, chính sự tác động của ba yếu tố trên đã tạo ra những thay đổi lớn về tính chất đối với các vật liệu có kích thước nano. Cũng chính những điều này thu hút được sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu nano có tính chất ưu việt hơn so với các loại vật liệu khác với mong muốn ứng dụng được chúng để chế tạo ra các sản phẩm mới với tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau. Khoa học và công nghệ nano có phạm vi rất rộng và được chia ra thành nhiều hướng và lĩnh vực khác nhau. Trong số đó vật liệu nano từ tính đã được nghiên cứu tương đối rộng rãi, đó chính là các vật liệu từ tính có kích thước nano, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như màng mỏng, các vật liệu tổ hợp, hoặc ở dạng hạt. Chúng tôi chọn hạt nano từ tính Fe3O4 làm hướng nghiên cứu chính bởi những hạt nano từ tính có từ tính tương đối tốt, Ms=90 emu/g, mặt khác các hạt nano từ tính Fe3O4 thì rất thân thiện với môi trường và có tính tương hợp sinh học cao, một lý do nữa để chúng tôi lựa chọn đó là các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính là tương đối đơn giản, chi phí lại thấp và các hạt nano từ tính Fe3O4 cũng tương đối ổn định trong môi trường bên ngoài. Vật liệu này cũng đã được nghiên cứu khá lâu trên thế giới cũng như tại Việt Nam về các tính chất vật lý và hóa học. Chính vì các lý do trên chúng tôi đã chọn hạt nano từ tính Fe3O4 làm hướng nghiên cứu chính và thử nghiệm trong các ứng dụng của mình. Trong khóa luận này chúng tôi tập trung nghiên cứu các tính chất cơ bản của hạt nano từ tính Fe3O4, cũng như nghiên cứu thử nghiệm một số phương pháp khác nhau như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp vi nhũ tương và một số phương pháp hóa học khác trong việc chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, đồng thời nghiên cứu và đo đạc một số tính chất cơ bản của hạt nano từ tính Fe3O4 như đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), chụp ảnh mẫu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đo đường cong từ hóa của mẫu bằng hệ đo từ kế mẫu rung. Hạt nano từ tính đã được chế tạo thành công bằng nhiều phương pháp khác nhau, và chúng đã được đem phục vụ các ứng dụng trong nhiều mục đích. Một hướng ứng dụng được quan tâm nhiều nhất đó là ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong các ứng dụng về y sinh học. Các vật liệu ứng dụng trong sinh học thường yêu cầu vật liệu nano ở dạng hạt và phải có tính siêu thuận từ. Giới hạn siêu thuận từ phụ thuộc vào từ độ bão hòa và dị hướng từ tinh thể, trong đa số trường hợp thì giới hạn này từ 5-30nm. Vật liệu siêu thuận từ có giá trị từ độ tương đối cao và bị từ hóa mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài và bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài tác dụng (không có từ dư). Hai yếu tố trên là hai yếu tố cần thiết đối với các ứng dụng trong y sinh học để có thể tránh sự kết tụ của các hạt từ. Ngoài ra thì độc tính, độ tương hợp sinh học, tính đồng nhất của kích thước hạt, ổn định trong môi trường khác nhau cũng là những vấn đề cần quan tâm. Các ứng dụng của hạt nano từ tính trong sinh học bao gồm phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn thuốc đến đích nhờ từ trường, nung nóng cục bộ nhờ từ trường ngoài xoay chiều, tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ hạt nhân. Trong khuôn khổ của khóa luận này chúng tôi cũng tiến hành ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong việc đánh dấu và tách chiết tế bào. Các tế bào được đánh dấu và tách chiết là các tế bào bạch cầu CD4+ T ở trong máu, các hạt nano từ tính Fe3O4 sau khi được chế tạo sẽ được chức năng hóa bề mặt bằng APTS (3-aminopropyl triethoxysilane) để tạo ra nhóm NH2 (amino) trên bề mặt hạt nano, tiếp đó những hạt nano này được bọc một lớp kháng thể phát huỳnh quang antiCD4+ T, chúng sẽ liên kết với các tế bào bạch cầu ở trong máu và nhờ đó ta có thể tách được các tế bào ra khỏi môi trường của chúng bằng cách sử dụng từ tính cũng như quan sát được hình ảnh của các tế bào này trên một kính hiển vi huỳnh quang thông thường, thậm chí có thể xác định được số lượng tế bào bạch cầu. Điều này có thể được ứng dụng để đếm số lượng tế bào bạch cầu trong máu của các bệnh nhân nhiễm HIV. Thêm một ứng dụng nữa được chúng tôi nghiên cứu trong khóa luận này đó là nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 cho mục đích xử lý nước bị nhiễm bẩn, ở Việt Nam hiện nay một vấn đề môi trường đang được quan tâm của toàn xã hội đó là việc các nguồn nước được sử dụng bị nhiễm asenic với nồng độ khá cao, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người dân. Một số địa phương như ngoại thành Hà Nội, Hà Nam… nồng độ asenic trong nước vượt mức cho phép nhiều lần. Asenic hay còn gọi là thạch tín, tan được ở trong nước và rất độc [8], nó làm thay đổi cân bằng hệ thống enzim của cơ thể, tác động xấu tới hệ tuần hoàn và thần kinh, người uống nước có nhiễm asen lâu ngày sẽ có nguy cơ bị ung thư, viêm răng khớp, bệnh tim mạch, cao huyết áp và các bệnh ngoài da khác. Chính vì thực trạng này chúng tôi tiến hành nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 để loại bỏ asenic trong nước. Đây là những ứng dụng lần đầu tiên ở Việt Nam. Những kết quả bước đầu cho thấy khả năng hấp thụ asenic của hạt nano từ tính Fe3O4 là khá cao trong khi lượng hạt nano từ tính cần sử dụng là tương đối nhỏ và đặc biệt là có thể tái sử dụng. CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là các vật liệu trong đó có các mô men từ sắp xếp song song với nhau. Vì vậy trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hoá tự phát. Theo lý thuyết Weiss thì ngay cả khi không có từ trường ngoài trong vật liệu sắt từ đã có sự từ hoá tự phát đến bão hoà. Nguyên nhân của sự từ hoá tự phát đó là do các mô men từ tương tác với nhau rất mạnh mẽ. Tương tác này tương đương với tác dụng của từ trường ngoài lớn cỡ 107 Oe làm cho các mô men từ có xu hướng sắp xếp song song với nhau ngay cả khi có tác dụng của khích thích nhiệt tại nhiệt độ phòng. Để giải thích sự khử từ của vật liệu sắt từ ở từ trường bằng không, Weiss cho rằng sự từ hoá tự phát đến bão hoà trong loại vật liệu này chỉ xảy ra trong từng domain (mỗi domain là một vùng từ hoá vĩ mô) còn giữa các domain với nhau thì các mô men từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng của vật bằng không khi không có từ trường ngoài. Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ - thuận từ nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (Tc). Dưới nhiệt độ Tc tương tác giữa các mô men từ thắng được kích thích nhiệt do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ. Trên nhiệt độ Tc năng lượng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết sắt từ giữa các mô men từ làm cho phân bố các mô men từ trở lên hỗn loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ. Ngày nay rất nhiều loại vật liệu có tính sắt từ đã được tìm ra và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống như: các kim loại (các kim loại chuyển tiếp và kim loại đất hiếm), các hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay còn gọi là hợp kim permalloy,..v.v.), các ôxít. Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh và khả năng ứng dụng lớn là đối tượng nghiên cứu được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực từ học. 1.2. Tính chất siêu thuận từ Đối với một vật liệu sắt từ thì khi ở kích thước lớn các hạt có xu hướng phân chia thành các domain từ để giảm năng lượng dị hướng hình dạng và ta có các hạt đa domain. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới một giá trị nào đó (thông thường khoảng 100 nm) thì mỗi hạt là một domain từ nói cách khác ta có các hạt đơn domain có mô men từ sắp xếp theo các phương dễ từ hoá dưới tác dụng của năng lượng dị hướng từ. Tiếp tục giảm kích thước hạt qua một giới hạn tiếp theo (thông thường giới hạn này cỡ 20 nm) sẽ xảy ra tình huống trong đó năng lượng kích thích nhiệt (có xu hướng phá vỡ sự định hướng mô men từ của các hạt) trở nên trội hơn năng lượng dị hướng từ (có tác dụng định hướng mô men từ của các hạt). Khi đó mô men từ của các hạt sẽ định hướng một cách hỗn do đó mô men từ tổng cộng bằng không. Chỉ khi có từ trường ngoài tác dụng thì mới có sự định hướng của mô men từ của các hạt và tạo ra mô men từ tổng cộng khác không. Tính chất này là đặc trưng cho các vật liệu thuận từ nhưng ở đây mỗi hạt nanô có chứa hàng vạn nguyên tử nên cũng có mô men từ hàng vạn lần lớn hơn mô men từ nguyên tử vì vậy tính chất này được gọi là tính chất siêu thuận từ.Đường cong từ hoá siêu thuận từ cũng tuân theo hàm Langevin như trường hợp thuận từ. Đường cong này có hai đặc điểm đó là: lực kháng từ Hc = 0, từ độ dư Mr = 0 nghĩa là không có hiệu ứng trễ. Điều này là hoàn toàn khác so với đường cong từ trễ sắt từ khi hạt có kích thước lớn. Hình 1.1 diễn tả sự thay đổi đường cong từ hoá của vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm. Trong giới hạn đơn domain khi kích thước hạt giảm thì Hc giảm cho đến khi Hc = 0, kích thước tại đó Hc = 0 chính là giới hạn siêu thuận từ. Hình 1.2 biểu diễn sự thay đổi của Hc khi đường kính hạt giảm [14]. Do sự cạnh tranh giữa năng lượng dị hướng và năng lượng kích thích nhiệt mà các hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ khi kích thước thoả mãn điều kiện (1.1): [14]
(1.1)với Vp là thể tích hạt, kB là hằng số Boltzmann (kB = 1,38.10-23 J/mol.K), T là nhiệt độ của mẫu, K là hằng số dị hướng từ. Dựa vào điều kiện (1.1) ta có thể đánh giá giới hạn kích thước để hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi biết giá trị của K. Ngược lại với các hạt có kích thước xác định (có Vp xác định) tồn tại nhiệt độ chuyển pha sắt từ - siêu thuận từ còn gọi là nhiệt độ Blocking (TB): [14]
(1.2)Trên nhiệt độ TB điều kiện (1.1) được thoả mãn hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ, dưới nhiệt độ này điều kiện đó không được thoả mãn và hạt thể hiện tính chất sắt từ. Trong thực nghiệm có thể xác định nhiệt độ TB bằng cách đo đường cong từ hoá ZFC (Zero Field Cooling) của các mẫu. 1.3. Ôxít sắt từ Ôxít sắt từ có công thức phân tử Fe3O4 là vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết đến. Từ thế kỷ thứ tư người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe3O4 tìm thấy trong các khoáng vật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương Bắc Nam địa lý. Đến thế kỉ mười hai họ đã sử dụng vật liệu Fe3O4 để làm la bàn, một công cụ giúp xác định phương hướng rất có ích. Trong tự nhiên oxít sắt từ không những được tìm thấy trong các khoáng vật (như hình 1.3) mà nó còn được tìm thấy trong cơ thể các sinh vật như: vi khuẩn Aquaspirillum magnetotacticum, ong, mối, chim bồ câu..v..v [14]. Chính sự có mặt của Fe3O4 trong cơ thể các sinh vật này đã tạo nên khả năng xác định phương hướng mang tính bẩm sinh của chúng. Trong phân loại vật liệu từ, Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferít là nhóm vật liệu từ có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là một kim loại hoá trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mg hoặc Cu. Trong loại vật liệu này các ion oxy có bán kính khoảng 1,32Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6
0,8 Ǻ) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt [9]. Trong mạng này có các lỗ hổng thuộc hai loại: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy. Các ion kim loại M2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferít. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M2+ nằm ở các vị trí A còn toàn bộ các ion Fe3+ nằm ở các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe3+ và M2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc spinel thuận. Cấu trúc này được tìm thấy trong ferít ZnO.Fe2O3. Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo. Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion M2+ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion Fe3+ còn lại nằm ở các vị trí A. Oxít sắt từ Fe3O4
FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinel đảo điển hình. Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ trên hình 1.4 Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất feri từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi : AÔB = 125°9΄, AÔA = 79°38΄, BÔB = 90° do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất [9, 13]. Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định. Mỗi phân tử Fe3O4 có mô men từ tổng cộng là 4μB (μB là magneton Bohr nguyên tử, trong hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI thì μB = 9,274.10-24 J/T). Hình 1.5 là cấu hình spin của phân tử Fe3O4. Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liệu feri từ cũng có sự chuyển pha sang trạng thái thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie (Tc), mà nhiệt độ này với Fe3O4 là 850 K [14]. Riêng đối với Fe3O4 còn có thêm một sự chuyển pha khác đó là chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ 118 K còn gọi là nhiệt độ Verwey [14]. Dưới nhiệt độ này Fe3O4 chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu này vì vậy nhiệt độ Verwey thường được dùng để phân biệt Fe3O4 với các ôxít sắt