Biến đổi pha là gì? Các nghiên cứu khoa học về Biến đổi pha

Định nghĩa biến đổi pha

Biến đổi pha (phase transition) là hiện tượng xảy ra khi một hệ vật chất chuyển từ pha này sang pha khác dưới tác động của một yếu tố điều khiển như nhiệt độ, áp suất hoặc trường điện từ. Mỗi pha được đặc trưng bởi một cấu trúc vi mô, các tính chất vật lý và tham số trật tự riêng biệt. Biến đổi pha không chỉ giới hạn trong các hiện tượng vật lý cổ điển như nóng chảy hay bay hơi mà còn bao gồm các chuyển pha trong hệ lượng tử và từ học.

Trong vật lý thống kê và nhiệt động học, biến đổi pha phản ánh sự thay đổi trong cấu hình vĩ mô của hệ thống khi các điều kiện bên ngoài thay đổi. Chúng thường gắn liền với sự thay đổi đột ngột của một hoặc nhiều đại lượng vật lý, ví dụ như mật độ, từ độ, điện môi hay điện trở suất. Các biến đổi này thường được mô tả thông qua năng lượng tự do Gibbs và các đạo hàm của nó.

Biến đổi pha là chủ đề nghiên cứu trung tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học vật liệu, vật lý chất ngưng tụ, hóa học lý thuyết và cả công nghệ nano. Chúng đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các vật liệu mới, thiết bị điện tử tiên tiến, và giải thích các hiện tượng tự nhiên ở cấp độ nguyên tử và phân tử.

Các loại biến đổi pha

Biến đổi pha được phân loại dựa trên tính liên tục của các đạo hàm của hàm năng lượng tự do. Phân loại theo Ehrenfest, dù ngày nay không còn phổ biến tuyệt đối, vẫn cung cấp cơ sở trực quan ban đầu để hiểu sự khác biệt giữa các loại biến đổi pha.

Hai loại chính là:

• Biến đổi pha bậc một: Có sự gián đoạn trong đạo hàm bậc nhất của năng lượng tự do theo nhiệt độ hoặc áp suất. Các đặc trưng bao gồm: sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt (ẩn nhiệt), tồn tại hai pha đồng thời trong một khoảng điều kiện nhất định, và có thể quan sát bằng mắt thường (ví dụ: sự hình thành tinh thể).
• Biến đổi pha bậc hai: Còn gọi là biến đổi liên tục, không có ẩn nhiệt. Sự gián đoạn xảy ra ở đạo hàm bậc hai, như nhiệt dung hoặc độ từ hóa. Các ví dụ bao gồm chuyển từ ferromagnetic sang paramagnetic tại điểm Curie hoặc chuyển từ chất siêu dẫn sang trạng thái thường tại nhiệt độ tới hạn.

Một số tài liệu hiện đại dùng thuật ngữ "chuyển pha liên tục" và "chuyển pha không liên tục" để thay thế cách phân loại theo bậc của Ehrenfest. Ngoài ra, có những biến đổi pha không thể xếp hoàn toàn vào hai nhóm này, ví dụ như chuyển pha vô định hình – vô định hình trong vật liệu kính.

Bảng dưới đây tóm tắt một số khác biệt giữa hai loại biến đổi pha phổ biến:

Đặc điểm	Bậc một	Bậc hai
Ẩn nhiệt	Có	Không
Sự tồn tại của hai pha	Có	Không
Biến thiên đột ngột của tham số trật tự	Có	Không
Ví dụ	Nóng chảy, hóa hơi	Điểm Curie, siêu dẫn

Đặc trưng nhiệt động học của biến đổi pha

Các biến đổi pha được mô tả tốt nhất bằng ngôn ngữ nhiệt động học, thông qua các hàm trạng thái như năng lượng tự do Gibbs ($G$), entropy ($S$) và enthalpy ($H$). Ở trạng thái cân bằng, pha ổn định là pha có năng lượng tự do Gibbs thấp nhất ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định.

Điều kiện xảy ra biến đổi pha được xác định bởi:

$G_{\text{pha 1}}(T, P) = G_{\text{pha 2}}(T, P)$

Sự khác biệt trong đạo hàm của $G$ theo $T$ và $P$ cho ta biết thông tin về ẩn nhiệt và thay đổi thể tích. Ví dụ, đạo hàm của $G$ theo $T$ là $-S$, do đó sự gián đoạn của entropy đồng nghĩa với sự có mặt của ẩn nhiệt trong biến đổi bậc một.

• Năng lượng tự do Gibbs: $G = H - TS$
• Entropy: $S = -\left( \frac{\partial G}{\partial T} \right)_P$
• Thể tích: $V = \left( \frac{\partial G}{\partial P} \right)_T$

Chính vì vậy, các phép đo thực nghiệm như đo nhiệt dung, đo áp suất hơi, hoặc quan sát sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ có thể được sử dụng để xác định loại biến đổi pha và các thông số liên quan.

Đường cong pha và điểm ba

Biểu đồ pha mô tả các điều kiện nhiệt độ và áp suất mà tại đó một pha của vật chất ổn định. Các đường cong pha biểu thị ranh giới giữa các pha, nơi tại đó biến đổi pha xảy ra. Trên biểu đồ T-P, ba pha rắn, lỏng và khí tạo thành ba vùng riêng biệt, ngăn cách bởi các đường cân bằng pha.

Điểm ba là giao điểm của ba đường cân bằng pha, nơi cả ba pha cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng. Đối với nước, điểm ba xảy ra tại nhiệt độ $0.01^\circ C$ và áp suất $611.657 \, \text{Pa}$. Mỗi chất có điểm ba riêng và nó đóng vai trò quan trọng trong hiệu chuẩn các thiết bị đo lường nhiệt độ và áp suất.

Bảng ví dụ điểm ba của một số chất:

Chất	Nhiệt độ (°C)	Áp suất (Pa)
Nước	0.01	611.657
Carbon dioxide	-56.6	518000
Ammonia	-77.7	6080

Xem thêm: LibreTexts - Phase Diagrams

Chuyển pha lượng tử

Chuyển pha lượng tử (quantum phase transition) là quá trình chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ bằng không tuyệt đối, khi các biến điều khiển không phải là nhiệt độ mà là các tham số lượng tử như áp lực, từ trường, mật độ hạt hoặc doping. Không giống như các chuyển pha cổ điển phụ thuộc vào dao động nhiệt, chuyển pha lượng tử bắt nguồn từ sự dao động lượng tử trong trạng thái cơ bản của hệ thống.

Hiện tượng này được quan sát trong nhiều hệ vật liệu có tương tác mạnh, như hệ spin, vật liệu siêu dẫn, hệ điện tử phân tử, và các hệ hai chiều. Một ví dụ điển hình là chuyển pha từ cách điện Mott sang trạng thái dẫn điện khi thay đổi doping trong các vật liệu đồng oxit (cuprate).

Chuyển pha lượng tử thường đi kèm với những biến động lượng tử mạnh mẽ trong vùng gần điểm tới hạn lượng tử (quantum critical point – QCP). Tại đây, hệ vật lý trở nên không ổn định và xuất hiện các hiện tượng mới không thể giải thích bằng lý thuyết truyền thống như Fermi liquid. Những đặc điểm này có thể gây ra siêu dẫn không theo chuẩn BCS, hành vi từ học dị thường, hoặc dẫn điện không tuyến tính.

Xem bài tổng quan tại: Physical Review – Quantum Phase Transitions

Mô hình lý thuyết: Ising và Landau

Mô hình Ising là một trong những mô hình đơn giản nhưng sâu sắc nhất để mô tả chuyển pha, đặc biệt trong hệ từ. Trong mô hình này, các spin trên mạng lưới có thể nhận một trong hai giá trị (+1 hoặc -1) và tương tác với hàng xóm gần. Khi nhiệt độ giảm, hệ thống chuyển từ trạng thái ngẫu nhiên sang trạng thái sắp hàng có trật tự – biểu thị cho sự chuyển từ pha paramagnetic sang ferromagnetic.

Lý thuyết Landau về chuyển pha dựa trên khái niệm tham số trật tự ($\phi$) và mở rộng năng lượng tự do theo chuỗi Taylor quanh điểm tới hạn:

$F(\phi) = a(T)\phi^2 + b\phi^4 + \cdots$

Trong đó, $a(T)$ là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ, và sự thay đổi dấu của $a$ quyết định tính ổn định của các pha. Mô hình này giải thích tốt sự hình thành pha trật tự dưới điểm tới hạn và là nền tảng cho nhiều lý thuyết hiện đại về hiện tượng tới hạn.

Các khái niệm quan trọng trong lý thuyết này bao gồm:

• Tham số trật tự: đại lượng mô tả mức độ mất đối xứng giữa các pha.
• Hệ số $a(T)$: thường tỉ lệ với $T - T_c$, trong đó $T_c$ là nhiệt độ chuyển pha.
• Tính đối xứng bị phá vỡ (spontaneous symmetry breaking): mô tả hiện tượng hệ chọn một trạng thái cụ thể trong tập hợp trạng thái tương đương về năng lượng.

Tìm hiểu thêm: ScienceDirect – Ising Model

Ứng dụng thực tiễn của biến đổi pha

Biến đổi pha không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ và kỹ thuật. Khả năng kiểm soát và khai thác các hiện tượng chuyển pha cho phép thiết kế vật liệu và thiết bị tiên tiến.

Các ứng dụng điển hình bao gồm:

• Chất thay đổi pha (PCM): dùng trong hệ thống lưu trữ và điều hòa năng lượng nhiệt, đặc biệt trong xây dựng và điện mặt trời.
• Siêu dẫn: ứng dụng trong máy gia tốc hạt, máy chụp cộng hưởng từ (MRI), và truyền tải điện không tổn hao.
• Vật liệu từ: dùng trong lưu trữ dữ liệu, cảm biến từ và bộ chuyển đổi năng lượng.
• Hợp kim bộ nhớ hình dạng: có khả năng trở về hình dạng ban đầu sau khi bị biến dạng, ứng dụng trong y sinh, hàng không và robot mềm.

Các ứng dụng trên dựa vào việc điều chỉnh các điều kiện môi trường để kích hoạt biến đổi pha có thể đảo ngược, giúp vật liệu thay đổi cấu trúc hoặc tính chất một cách chính xác và có kiểm soát.

Các phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu biến đổi pha

Để nghiên cứu và xác định các đặc trưng của biến đổi pha, nhiều kỹ thuật thực nghiệm được sử dụng trong vật lý và hóa học vật liệu. Các phương pháp này cho phép khảo sát sự thay đổi nhiệt, cấu trúc, và điện tử của vật chất khi hệ thống đi qua điểm chuyển pha.

Các phương pháp chính bao gồm:

1. Phân tích nhiệt:
   • DSC (Differential Scanning Calorimetry): đo nhiệt lượng trao đổi trong quá trình biến đổi pha.
   • TGA (Thermogravimetric Analysis): đo sự thay đổi khối lượng khi đun nóng vật liệu.
2. Phép đo điện và từ: theo dõi độ dẫn điện, độ từ hóa hoặc điện môi theo nhiệt độ.
3. Tán xạ neutron và tia X: khảo sát cấu trúc tinh thể, sự thay đổi khoảng cách mạng, xác định cấu trúc vùng trong pha mới.

Chi tiết về kỹ thuật: ThermoFisher – Thermal Analysis

Biến đổi pha trong vật liệu mới

Sự phát triển của các vật liệu thế hệ mới đã đưa khái niệm biến đổi pha vào các môi trường vật lý phi truyền thống như vật liệu hai chiều (2D materials), vật liệu topological, và các cấu trúc nano. Những hệ này thường có hành vi lượng tử mạnh, cấu trúc điện tử bất thường và chuyển pha đặc biệt không tuân theo mô hình cổ điển.

Ví dụ, trong graphene hoặc vật liệu 2D như MoS₂, có thể quan sát chuyển pha từ kim loại sang cách điện, từ không từ sang từ, hoặc từ cấu trúc tinh thể này sang cấu trúc tinh thể khác chỉ bằng việc thay đổi số lớp hoặc áp lực. Một số vật liệu có khả năng chuyển đổi giữa các pha topological và trivial khi thay đổi điều kiện ngoại vi như nhiệt độ, từ trường, hoặc độ biến dạng.

Đây là nền tảng cho nhiều ứng dụng mới trong điện tử lượng tử, spintronics và máy tính lượng tử. Chuyển pha trong các hệ này thường đi kèm với các trạng thái biên đặc biệt và bảo toàn đối xứng topological.

Xem: Nature – Phase Transitions in 2D Materials

Tài liệu tham khảo

1. Sachdev, S. (1999). Quantum Phase Transitions. Cambridge University Press.
2. Stanley, H.E. (1971). Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena. Oxford University Press.
3. Goldenfeld, N. (1992). Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group. Westview Press.
4. Landau, L.D. & Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics Part 1. Pergamon Press.
5. ThermoFisher Scientific
6. ScienceDirect – Ising Model
7. Rev. Mod. Phys. – Quantum Phase Transitions
8. Nature – 2D Material Phase Transitions