Giọt chất lỏng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Tóm tắt

Giọt chất lỏng (droplet) là thể tích chất lỏng nhỏ tách rời bề mặt chính, hình thành do cân bằng giữa sức căng bề mặt, áp suất bên trong và trọng lực; kích thước phổ biến từ micromet đến milimet. Giọt phản ánh đặc tính vật liệu, điều kiện môi trường và lực tác động, đóng vai trò then chốt trong các quá trình như ngưng tụ, phun sương, truyền nhiệt và phản ứng hóa học. Giọt có hình dạng gần cầu khi kích thước nhỏ, chuyển dần sang dạng elip hoặc giọt dẹt khi lực trọng trường hoặc lực cắt chiếm ưu thế. Hiểu rõ cấu trúc, động lực học và tương tác giọt–bề mặt mở ra ứng dụng đa dạng trong y sinh, công nghiệp hóa chất, năng lượng và môi trường [NIST].

Giọt chất lỏng được mô tả toán học bởi phương trình Young–Laplace: $\Delta P = \sigma\bigl(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\bigr)$, trong đó ΔP là chênh áp suất trong–ngoài giọt, σ là sức căng bề mặt, R₁ và R₂ là bán kính cong chính. Khi kích thước giọt nhỏ, lực sức căng bề mặt chi phối, giúp giọt ổn định hình cầu; ngược lại, giọt lớn chịu ảnh hưởng của trọng lực, dễ biến dạng và rơi rụng. Nghiên cứu giọt bao gồm khía cạnh hình học, cơ học, nhiệt động học và truyền khối, sử dụng kỹ thuật quan sát tốc độ cao, đo lực vi mô và mô hình hóa số học để giải quyết các bài toán thực tiễn.

Định nghĩa giọt chất lỏng

Giọt chất lỏng (liquid droplet) là khối chất lỏng nhỏ rời khỏi thể tích chính, tồn tại độc lập nhờ nội lực bề mặt. Đường viền giọt do sự cân bằng giữa sức căng bề mặt (σ), áp suất bên trong (P_in) và áp suất bên ngoài (P_out) tạo nên hình cầu khi σ lớn so với ρgL (với ρ mật độ chất lỏng, g gia tốc trọng trường, L kích thước giọt).

Phạm vi kích thước giọt rất rộng, từ giọt khí dung kích thước nm trong aerosol, đến giọt mưa 1–5 mm trên bầu trời. Giọt trong các hệ vi lỏng (microfluidic) có kích thước ~10–100 µm, dùng để phản ứng hóa học, xét nghiệm sinh học. Giọt nhiên liệu trong buồng đốt động cơ ô tô dao động 10–50 µm, quyết định hiệu suất đốt cháy và phát thải.

Biên dạng giọt được mô tả qua bán kính cong chính R₁, R₂ và góc tiếp xúc θ trên bề mặt rắn. Góc tiếp xúc cho biết tính ướt bề mặt theo định nghĩa:$\cos\theta = \frac{\sigma_{SV} - \sigma_{SL}}{\sigma_{LV}}$, với σ_SV, σ_SL, σ_LV lần lượt là sức căng giao diện rắn–không khí, rắn–lỏng, lỏng–không khí [IUPAC]. Góc tiếp xúc thấp (θ < 90°) cho thấy bề mặt ưa ướt, giọt lan rộng; ngược lại (θ > 90°) giọt dễ trượt hoặc rơi.

Cơ chế hình thành

Giọt hình thành khi chất lỏng tách khỏi thể tích ban đầu hoặc ngưng tụ từ pha hơi. Ba cơ chế điển hình:

• Ngưng tụ trên hạt nhân: Hơi bão hòa gặp hạt nhân ngưng tụ (hạt bụi, ion), tạo giọt ban đầu ~1–10 nm, sau đó kết tụ để phát triển đến kích thước ổn định.
• Tách giọt tại phun sương: Dòng chất lỏng qua vòi hoặc lưới tia cao áp chia thành sợi mảnh rồi đứt đoạn thành giọt do dao động Rayleigh–Plateau, kích thước ~dòng/ π.
• Rơi giọt do trọng lực: Giọt hình thành ở đầu nhỏ giọt (nozzle), đầu tiên bám vào thành vòi, khi lực trọng trường vượt quá lực giữ bám (σ×chu vi), giọt rơi.

Trong phun sương công nghiệp, áp suất, đường kính vòi và tính lưu biến của chất lỏng (độ nhớt μ, độ đàn hồi) điều khiển phổ kích thước giọt. Hạ nhiệt độ hoặc thay đổi thành phần dung môi cũng ảnh hưởng lực sức căng và số lượng giọt tách ra.

Cơ chế	Yếu tố chi phối	Kích thước điển hình
Ngưng tụ	Độ bão hòa hơi, hạt nhân	1–100 µm
Rayleigh–Plateau	Đường kính vòi, áp suất	10–200 µm
Rơi tại vòi	Chất căng, chu vi vòi	100–1000 µm

Tính chất bề mặt và sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt σ biểu thị năng lượng bề mặt đơn vị chiều dài, phát sinh do lực liên kết giữa phân tử chất lỏng và phân tử bên ngoài. Đơn vị N/m, ví dụ nước tinh khiết σ ≈ 0,072 N/m ở 20 °C. Sức căng bề mặt giảm khi thêm chất hoạt động bề mặt (surfactant), giúp giọt nhỏ và phân bố đều hơn.

Hệ số ướt (góc tiếp xúc) θ đo độ tương tác giọt–bề mặt. Thông số này xác định khả năng lan tràn hoặc lăn trượt của giọt trên bề mặt rắn, ảnh hưởng đến công nghệ phủ phim, thiết bị vi lỏng và bề mặt siêu chống thấm (superhydrophobic). Bề mặt siêu chống thấm có θ > 150°, giọt gần như tròn hoàn hảo và dễ lăn.

• Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ tăng làm giảm σ, khiến giọt dễ lan rộng và bốc hơi nhanh hơn.
• Chất hoạt động bề mặt: Giảm σ và θ, dùng trong sơn, chất tẩy rửa, phun thuốc trừ sâu để phân bố giọt đồng đều.
• Độ pH và ion: Ion hóa nhóm chức trên bề mặt chất lỏng có thể làm thay đổi σ, quan trọng trong quy trình tạo giọt siêu âm.

Động lực học giọt rơi và va chạm

Giọt rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực và lực cản không khí. Ban đầu, gia tốc giọt gần bằng gia tốc trọng trường g, nhưng khi vận tốc tăng, lực cản (F_d) tỷ lệ với bình phương vận tốc (v²) làm giọt đạt vận tốc bão hòa v_t, thỏa mãn F_g = F_d. Vận tốc bão hòa phụ thuộc mật độ chất lỏng (ρ), tiết diện giọt (A) và hệ số cản (C_d) theo công thức $F_d = \tfrac12 C_d \rho_{\!air} A v^2$.

Trong va chạm với bề mặt rắn hoặc giọt khác, quá trình biến dạng nhanh gây ra màng mỏng, tia văng và giọt con. Phân loại va chạm theo số Weber (We) và số Reynolds (Re) giúp dự đoán kết quả: vỡ giọt, dẹt tiếp xúc hoặc bắn văng. Khi We thấp (<10), giọt chỉ dẹt nhẹ trên bề mặt; We trung bình (10–100) gây hình thành màng và bọt; We cao (>100) dẫn đến vỡ giọt và bắn thành nhiều giọt con.

Hiện tượng	Số We	Số Re	Kết quả
Dẹt tiếp xúc	<10	Any	Hình thành đĩa mỏng
Màng giọt	10–100	>1000	Màng và bọt
Vỡ giọt	>100	>2000	Phun giọt con

Đối với va chạm giọt–giọt, hai giọt sát gần sẽ hợp nhất nếu lực sức căng đủ lớn để vượt qua áp suất Bernoulli giữa hai cạnh tiếp xúc. Quá trình này gồm ba giai đoạn: tiếp xúc sơ khởi, tạo cầu nối chất lỏng và tái cấu trúc thành giọt đơn ổn định.

Kỹ thuật đo và quan sát

Máy ảnh tốc độ cao (high-speed camera) với tốc độ >10,000 khung hình/giây cho phép quan sát biến dạng giọt trong micro-giây. Kính hiển vi quang học kết hợp hệ thống chiếu sáng LED ngược để ghi lại cạnh giọt với độ phân giải <1 µm.

Tensiometry đo sức căng bề mặt qua hai phương pháp phổ biến: vòng du Noüy và đĩa Wilhelmy. Cả hai phương pháp xác định lực kéo lên khi vòng hoặc đĩa tiếp xúc và tách ra khỏi bề mặt giọt hoặc màng mỏng, cung cấp giá trị σ với độ sai số <0.1 mN/m.

• Ròng rọc du Noüy: Xoay vòng kim loại, đo lực cần thiết nâng vòng lên khỏi bề mặt.
• Đĩa Wilhelmy: Đĩa phẳng thẳng đứng, đo lực mao dẫn khi đặt và kéo lên.

Công nghệ microfluidics sử dụng các kênh vi mô và van điều khiển để tạo giọt chuẩn kích thước cố định (CV < 2%). Laser diffraction và dynamic light scattering (DLS) đo phân bố đường kính giọt trong dịch lỏng và aerosol với phạm vi 0.1–100 µm.

Ứng dụng trong công nghiệp và khoa học

Trong công nghiệp ô tô và hàng không, phun nhiên liệu dạng giọt mịn (10–20 µm) tối ưu hóa quá trình cháy, giảm phát thải khí độc. Công nghệ này còn áp dụng cho phun sương khử trùng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp và công nghệ sấy (spray drying) tạo hạt bột mịn từ dung dịch hoặc huyền phù.

Giọt vi lỏng (digital droplet) trong microfluidics mở ra nền tảng xét nghiệm y sinh: PCR một giọt, xét nghiệm tế bào đơn và vi sinh giọt. Mỗi giọt trở thành buồng phản ứng độc lập, giảm nhiễm chéo và tăng độ nhạy phát hiện, ví dụ SARS-CoV-2 digital PCR [ACS].

• Spray drying: Sản xuất bột dược phẩm, thực phẩm chức năng.
• Fuel injection: Tối ưu hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu.
• Microreactors: Tổng hợp hóa học liên tục trong giọt.

Trong nghiên cứu môi trường, đo tích tụ giọt mưa giúp đánh giá rửa trôi ô nhiễm, phân tích thành phần kim loại nặng và hạt vi nhựa. Aerosol y tế sử dụng giọt <5 µm cho hít khí dung, đưa thuốc vào phổi sâu hiệu quả hơn so với dạng hít viên.

Mô hình hóa và tính toán giọt

Phần tử hữu hạn (FEM) và giả lập thể tích chất lỏng (VOF) trên nền tảng CFD (computational fluid dynamics) mô phỏng biến dạng giọt, va chạm và bốc hơi. Mô hình Navier–Stokes gắn với giao diện chất lỏng–không khí giải bằng phương pháp level-set hoặc phase-field.

Tỷ số quan trọng trong tính toán bao gồm:

• $Re = \frac{\rho v D}{\mu}$ (tỷ số Reynolds: quán tính so với nhớt)
• $We = \frac{\rho v^2 D}{\sigma}$ (tỷ số Weber: quán tính so với sức căng)
• $Bo = \frac{\rho g D^2}{\sigma}$ (tỷ số Bond: trọng lực so với sức căng)

Tính toán ổn định giọt dựa trên Bo: khi Bo < 1, sức căng chi phối, giọt gần như cầu; Bo > 1, trọng lực làm giọt dẹt và chảy xuống bề mặt. Các bài toán bốc hơi giọt sử dụng mô hình Maxwell–Stefan cho truyền khối kết hợp cân bằng năng lượng bề mặt.

Ảnh hưởng môi trường và sinh thái

Giọt mưa đóng vai trò chính trong chu trình thủy văn, rửa trôi ô nhiễm bề mặt đất và mang chất dinh dưỡng xuống tầng đất. Quá trình ngưng tụ và kết tụ giọt aerosol ảnh hưởng đến hình thành mây, bức xạ mặt trời và biến đổi khí hậu.

Aerosol giọt nhỏ (<10 µm) duy trì lâu trong khí quyển, trở thành hạt nhân ngưng tụ mây và gây ảnh hưởng sức khỏe hô hấp khi đi sâu vào phổi. Đo phân bố kích thước giọt và thành phần hóa học giúp đánh giá rủi ro ô nhiễm không khí và xây dựng chính sách môi trường.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Electrowetting và dielectrowetting cho phép điều khiển vị trí, vận tốc và biến dạng giọt trên bề mặt thông qua điện áp. Hệ thống lab-on-a-chip tích hợp điện điều khiển giọt phục vụ xét nghiệm nhanh và cảm biến hóa chất.

Ứng dụng học máy trong phân tích video tốc độ cao tự động nhận diện hiện tượng vỡ và hợp nhất giọt, tối ưu hóa thiết kế buồng phun và bề mặt siêu chống thấm. Nghiên cứu hybrid giữa giọt và hạt nano giúp tạo hệ nhũ tương ổn định cho dược chất tan trong nước và dầu.