Bạn nghĩ đây là gì? Một bông hoa? Một con nhím? Không, đó là “nước từ” - một trong những vật liệu nano nhân tạo hấp dẫn, loại chất lỏng có thể biến đổi vô cùng đa dạng và linh hoạt dưới tác dụng từ trường.
Với chai thủy tinh đựng “nước từ” và hai thỏi nam châm để tạo từ trường, ta có thể làm cho chất lỏng đặc sắc này co giãn, biến đổi hoặc nhảy múa một cách ngoạn mục. Đưa nam châm đến gần bề mặt, chất lỏng mềm mại bỗng nở bung thành mô hình những gai nhọn như một con nhím nhỏ hay những gợn sóng li ti. Các mô hình này còn chuyển động và thay hình đổi dạng rất uyển chuyển khi nam châm di chuyển xung quanh chất lỏng.
Cấu trúc gợn sóng và chóp nhọn hình thành trên bề mặt chất lỏng thay đổi theo cường độ từ trường do nam châm tạo ra.
Nước từ (ferrofluid) còn được gọi là nước sắt từ (ferromagnetic fluid) hay chất lỏng từ (magnetic fluid) là loại chất lỏng hoàn toàn nhân tạo với cấu trúc không hề tồn tại trong tự nhiên. Đây là sáng chế năm 1960 của NASA với mục tiêu kiểm soát dòng chảy của nhiên liệu lỏng tại môi trường không trọng lực. Ngoài việc tạo ra những màn “trình diễn” sống động và đẹp mắt, các nhà khoa học còn khám phá ở nước từ vô vàn ứng dụng hữu ích, đặc biệt trong điều trị ung thư.
| Có gì trong nước từ?
Nước từ là một huyền phù dạng keo bền vững của các hạt sắt từ có kích thước nano (đường kính từ 0,3 đến 10 nanomet) phân bố đều trong một chất lỏng dạng dầu như dầu nhờn, dầu silic…
Có thể tạo ra nước từ bằng các loại hạt nano sắt từ và chất dẫn khác nhau. Thành phần một hỗn hợp nước từ điển hình gồm 5% thể tích là hạt sắt từ, 10% thể tích chất hoạt động bề mặt và 85% thể tích là dung môi. Trong đó, các hạt nano sắt từ là thành phần quyết định tính chất từ của vật liệu; còn chất hoạt động bề mặt giữ cho các hạt phân tán, không kết tụ trong dung môi ngay cả khi có từ trường tác động.
| |  |
Màn trình diễn của nước từ
Ở trạng thái thông thường, nước từ trông tương tự những dung dịch khác, nhưng khi đặt trong từ trường, các hạt nano lập tức di chuyển, “xếp hàng” nối nhau và hình thành những mô hình tuyệt đẹp, thường là hình “đỉnh núi” và “thung lũng”. Những mô hình này được sinh ra bởi vị trí của các hạt nano trong dung dịch dưới ảnh hưởng của đường sức từ và nhiều lực khác như lực Van der Waals, trọng lực, sức căng bề mặt...
Hình dạng bề mặt thay đổi do sự cân bằng giữa từ trường và các lực khác
Kích thước nano và thể huyền phù mang đến cho nước từ những tính chất rất đặc biệt:
• Không bị tích tụ hay lắng xuống trong môi trường trọng lực: hạt sắt từ có kích thước nano sẽ tuân theo chuyển động Brown (chuyển động của các hạt trong môi trường lỏng), luôn lơ lửng và phân tán đều trong dung dịch. Tuy nhiên, tính ổn định của nước từ bị phá vỡ theo thời gian (thường là vài năm), khi đó các hạt sắt từ trong hỗn hợp sẽ tích tụ hoặc phân rã và chất lỏng không còn phản ứng từ tính nữa.
• Thay đổi hình dạng cấu trúc liên tục theo từ trường tác dụng: nhờ kích thước đủ nhỏ nên các hạt sắt từ nhanh chóng mất hết từ tính ngay khi ra khỏi từ trường. Dù vậy, kích thước hạt quá nhỏ sẽ khiến từ tính biến mất nên đường kính tối thiểu phải từ 0,3 nanomet trở lên.
• Từ tính và độ nhớt thay đổi tùy theo nhiệt độ và cường độ từ trường: nhiệt độ càng tăng, từ tính của nước từ càng giảm, từ trường càng mạnh thì nước từ càng “rắn” và ngược lại.
• Dễ thâm nhập vào cơ thể người: hạt nano sắt từ có kích thước tương ứng với kích thước các phân tử và virus, nên có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trọng cơ thể, dễ dàng thao tác ở quy mô phân tử.
Những tính năng này, khiến nước từ trở thành loại vật liệu có tiềm năng ứng dụng to lớn, đặc biệt trong chẩn đoán và trị bệnh.
Xu hướng ứng dụng mới
Tuy ít được nhắc đến nhưng nước từ là ứng viên cực kỳ sáng giá cho các sáng tạo kỹ thuật, mấu chốt là khả năng kiểm soát từ trường để điều khiển các hạt nano sắt từ hành động như mong muốn.
Những ứng dụng “truyền thống” nhất của nước từ có thể kể đến như: làm tăng tính truyền dẫn trong các hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dẫn từ; làm giảm hiện tượng nhiễu âm thanh ở loa điện động, dùng trong thiết bị phân tích quang học để đo độ nhớt chất lỏng... Với sự phát triển của công nghệ nano, ngày càng nhiều ứng dụng hữu ích khác của nước từ được khám phá trong công nghệ truyền thanh, vật liệu, y sinh học và môi trường.
Công nghệ loa nam châm lỏng: công nghệ nổi bật trong các sản phẩm nghe nhìn của Sony năm 2013. Nước từ được dùng để giải nhiệt cho cuộn dây âm và thay thế bộ giảm chấn (damper) của loại loa truyền thống. Nam châm được đặt gần cuộn dây âm để hút nước từ. Khi cuộn dây nóng làm nóng nước từ, từ tính của nước từ giảm và nước từ bị kéo ra xa cuộn dây, giúp tản nhiệt cho cuộn dây hiệu quả mà không cần dùng thêm năng lượng.
Nước từ thay thế bộ giảm chấn (damper) và tản nhiệt trong loa của Sony
Vật liệu tổng hợp có khả năng thay đổi hình dạng: trong tự nhiên, các phân tử như protein có thể tự “uốn cong” và gấp mình theo một khuôn khổ mới. Các nhà khoa học mong muốn tạo ra những cấu trúc tự động tổng hợp linh hoạt như trên và họ đang hy vọng khai thác được khả năng đó trong nước từ để chế tạo hệ hạt tự lắp ghép. Đây là thành quả mới nhất của nhà vật lý học Jaakko Timonen (Đại học Aalto, Phần Lan) và nhóm nghiên cứu trong năm 2013.
Nước từ trong nghiên cứu của Jaako Timonen
Lọc nước: việc xử lý nước bẩn bằng các biện pháp hóa học, vật lý hiện nay khá tốn kém, mất thời gian nhưng đôi khi hiệu quả không triệt để. Xu hướng mới sử dụng nước từ để lắng đọng tạp chất trong nước thông qua cơ chế tĩnh điện và hấp phụ được đánh giá là hiệu quả và nhanh chóng hơn. Cho một lượng nhỏ chất từ vào nước bẩn, khuấy đều, sau đó dùng nam châm để hút các hạt từ đã bám tạp chất lắng xuống.
Chẩn đoán và trị bệnh: phân tách và chọn lọc tế bào, truyền dẫn thuốc và tăng thân nhiệt cục bộ là bốn xu hướng được nghiên cứu nhiều nhất của nước từ trong y học hiện nay, đặc biệt tăng cường hiệu quả điều trị ung thư:
• Dẫn truyền thuốc: nhược điểm của hóa trị là tác dụng lên cả các tế bào khỏe mạnh. Việc dùng hạt nano sắt từ như hạt mang thuốc giúp tập trung thuốc vào vùng mang bệnh, tăng hiệu quả điều trị, giảm lượng thuốc cần sử dụng và tác dụng phụ với người bệnh. Khả năng dẫn truyền thuốc của nước từ là một lĩnh vực đầy tiềm năng nhưng thành quả đạt được hiện tại còn khá khiêm tốn.
• Tăng thân nhiệt cục bộ: nước từ được phân tán vào các mô mong muốn. Tác động từ trường với cường độ và tần số thích hợp để các hạt nano chuyển động sẽ tạo ra nhiệt nung nóng vùng xung quanh. Sử dụng trong thời gian thích hợp giúp tiêu diệt các tế bào ung thư chính xác. Có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này, tuy nhiên chưa có công bố nào về thành công khi ứng dụng trên người trong thực tế.
• Tăng cường chất lượng hình ảnh cộng hưởng từ (MRI): tương tự như phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ, nước từ sẽ được hấp thụ bởi các mô chọn lọc để tăng độ tương phản trên hình ảnh MRI.
• Phân tách và chọn lọc tế bào: các hạt nano sắt từ trong nước từ được bọc một lớp hóa chất có tính tương hợp sinh học để tạo liên kết với loại tế bào đặc trưng khi vào trong cơ thể (tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn,…). Từ trường tạo ra sẽ hút các hạt từ tính có mang tế bào cần phân tách. Một ví dụ của phương pháp này là tách tủy xương từ mẫu tế bào ung thư và tái cấy ghép trở lại cơ thể người.
Tại Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) và Viện Khoa học Vật liệu là những đơn vị đang tiến hành nhiều nghiên cứu khả năng ứng dụng của nước từ như: chế tạo và nghiên cứu chất lỏng từ tính, thử nghiệm chất lỏng từ mang thuốc kháng sinh, xử lý nước nhiễm bẩn… Ngoài tiềm năng ứng dụng, khả năng thay đổi bề mặt theo cường độ từ trường để tạo ra vô số hình ảnh kỳ ảo và đẹp mắt cũng giúp nước từ được chào đón nồng nhiệt như một loại hình nghệ thuật sắp đặt.
Còn rất nhiều điều kỳ diệu con người có thể làm với chất lỏng kỳ ảo này trong tương lai. Hãy chờ đợi và thưởng thức!
NHẬT ANH, STINFO Số 10/2013