Hấp thụ nước là gì? Các nghiên cứu khoa học về Hấp thụ nước

Giới thiệu về hấp thụ nước

Hấp thụ nước là quá trình vật liệu hoặc sinh vật thu nhận và giữ nước từ môi trường xung quanh, tạo thành cân bằng giữa áp suất thẩm thấu và áp suất ngoại cảnh. Trong sinh lý thực vật, hấp thụ nước qua rễ cây là nền tảng cho quá trình vận chuyển nước và dinh dưỡng lên lá, duy trì quang hợp và trao đổi khí. Trong địa kỹ thuật, đất và đá hấp thụ nước ảnh hưởng đến độ ẩm nền móng, dẫn đến thay đổi tính ổn định và độ nén lún. Trong công nghiệp vật liệu xây dựng, khả năng hấp thụ nước của bê tông, gạch và vữa quyết định độ bền, tuổi thọ và khả năng chống thấm của công trình.

Lĩnh vực dược phẩm cũng khai thác cơ chế hấp thụ nước để thiết kế thuốc phóng thích kéo dài: hạt polymer ngậm nước phồng lên điều khiển tốc độ giải phóng dược chất. Ngành thực phẩm sử dụng hấp thụ nước trong quá trình chế biến và bảo quản, như quy trình làm ẩm bột mì để điều chỉnh cấu trúc bánh mì hoặc giữ độ tươi của sản phẩm. Nghiên cứu hấp thụ nước vì vậy là ngành liên ngành, kết hợp hóa học, vật lý, sinh học và kỹ thuật, nhằm hiểu rõ cơ chế và tối ưu hóa các ứng dụng trong nông nghiệp, xây dựng, y sinh và môi trường.

Khái niệm cơ bản

Hấp thụ nước (water absorption) được định nghĩa là tỉ lệ phần trăm khối lượng hoặc thể tích nước được giữ lại so với mẫu khô ban đầu. Trong thực vật, chỉ số hấp thụ nước của rễ được biểu diễn bằng tỉ lệ chất khô của rễ trên lượng nước thu nhận. Trong vật liệu rắn, chỉ số hấp thụ nước (WA) tính theo công thức: $WA = \frac{m_{wet} - m_{dry}}{m_{dry}} \times 100\%$, trong đó m_wet là khối lượng mẫu sau khi ngâm nước và rút bớt bề mặt, m_dry là khối lượng mẫu đã sấy khô ở 105 °C đến khối lượng không đổi.

Chỉ số hấp thụ nước thể hiện khả năng giữ ẩm và tính bền bỉ của vật liệu. Vật liệu có WA thấp thường có độ rỗng nhỏ, liên kết kỵ nước mạnh, ngăn cản thấm nước hiệu quả. Ngược lại, WA cao cho thấy độ xốp lớn hoặc thành phần ưa nước, dẫn đến giãn nở và thay đổi cơ tính khi tiếp xúc nước. Trong nghiên cứu sinh học, hệ số thẩm thấu và độ thấm của màng tế bào xác định tốc độ và mức độ hấp thụ nước vào tế bào, ảnh hưởng đến hoạt động trao đổi chất và cơ chế chống hạn.

Cơ chế hấp thụ nước

Cơ chế hấp thụ nước bao gồm ba thành phần chính:

• Hấp phụ bề mặt: phân tử nước liên kết với bề mặt vật liệu hoặc thành phần tế bào qua lực liên kết hydro hoặc lực Van der Waals. Giai đoạn này thường xảy ra nhanh và chỉ chiếm lớp nước gần bề mặt.
• Thẩm thấu mao mạch: chỉ ra sự di chuyển nước theo chênh lệch áp suất qua lỗ rỗng hoặc mao quản. Áp suất mao quản càng lớn, tốc độ thẩm thấu càng nhanh, tùy thuộc vào kích thước mao quản và góc ướt của dung môi–vật liệu.
• Phản ứng hóa học: các nhóm chức năng hóa học trong polymer, khoáng chất hoặc tế bào tương tác với nước, tạo phức hydrate hoặc nhũ tương dẫn đến thay đổi cấu trúc mạng lưới. Ví dụ, xi măng thủy hóa (hydration) hình thành sản phẩm C–S–H giúp tăng độ cứng, nhưng cũng hấp thụ nước làm thay đổi độ rỗng.

Tốc độ và mức độ hấp thụ nước là kết quả phối hợp giữa ba cơ chế nêu trên. Ví dụ, vật liệu gốm có thành phần đa khoáng với diện tích bề mặt lớn hấp phụ mạnh, trong khi đất sét nhờ kích thước hạt siêu nhỏ và cấu trúc lớp ưa nước thấm nước nhanh qua phản ứng ion với không gian gian bào. Trong thực vật, rễ non sử dụng kênh aquaporin để tăng tính thấm màng tế bào, kết hợp với áp suất rễ (root pressure) để kéo nước lên thân.

Các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hấp thụ nước gồm:

• Độ ẩm tương đối: chênh lệch độ ẩm giữa môi trường xung quanh và vật liệu tạo áp lực thẩm thấu, quyết định mức độ cân bằng nước.
• Nhiệt độ: tăng nhiệt độ thường làm giảm độ nhớt nước và tăng tốc độ khuếch tán, nhưng cũng có thể làm giảm lực liên kết hydro trên bề mặt.
• Thành phần hóa học: nhóm ưa nước (hydrophilic) như hydroxyl, carbonyl giúp tương tác mạnh với nước, tăng hấp thụ; nhóm kỵ nước (hydrophobic) như các mạch hydrocarbon làm giảm tương tác.
• Độ rỗng và kích thước mao quản: vật liệu có porosity cao và mao quản nhỏ (< 2 nm) có khả năng giữ nước tốt hơn nhưng tốc độ thẩm thấu chậm hơn so với mao quản lớn.

Trong thực vật, đặc tính sinh học như độ dày thành tế bào, thành phần cellulose và lignin quyết định độ thấm của tế bào gỗ và mô dày, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kháng hạn và hấp thụ nước. Đất cát và đất sét cũng khác nhau: đất cát có mao quản lớn nên thoát nước nhanh; đất sét có mao quản nhỏ và diện tích bề mặt lớn hấp thụ nước nhiều, dẫn đến tình trạng ngậm nước lâu và giảm khả năng thông khí.

Bảng dưới đây tóm tắt ảnh hưởng của một số yếu tố đến chỉ số hấp thụ nước của vật liệu:

Yếu tố	Ảnh hưởng	Ví dụ
Độ ẩm tương đối	Tăng WA khi ẩm cao	Gạch xây ngấm nước sau mưa
Nhiệt độ	Tốc độ thẩm thấu tăng	Polymer hấp thụ nhanh hơn ở 50 °C
Thành phần hóa học	Nhóm ưa nước tăng WA	Hydrogel giữ nước gấp 100 lần khối lượng
Độ rỗng	Porosity cao tăng WA	Đất sét hấp thụ 30 % khối lượng

Phương pháp đo và đánh giá

Phương pháp trọng lượng ướt–khô là cách tiếp cận phổ biến nhất để xác định chỉ số hấp thụ nước của vật liệu. Mẫu khô được cân (m_dry), ngâm trong nước trong thời gian quy định (thường 24 giờ), vớt ra, lau bề mặt và cân lại (m_wet). Chỉ số hấp thụ WA = (m_wet – m_dry)/m_dry × 100 %. Phương pháp này đơn giản nhưng đòi hỏi kiểm soát chính xác nhiệt độ và thời gian sấy khô (Cement and Concrete Research).

Phổ tán neutron (neutron imaging) cung cấp bản đồ phân bố nước trong thể tích mẫu mà không phá hủy. Nước giàu neutron hấp thụ mạnh, cho tín hiệu tương phản cao, cho phép quan sát thang thời gian thực quá trình thẩm thấu. Kỹ thuật này ứng dụng trong nghiên cứu đất đá và composite (Applied Radiation and Isotopes).

Phương pháp hấp phụ hơi nước (dynamic vapor sorption) đo đường hấp phụ–desorption ở độ ẩm tương đối thay đổi. Thiết bị tự động cân mẫu trong buồng điều chỉnh ẩm, ghi nhận khối lượng theo mỗi bước ẩm. Kết quả cho đường cong hấp phụ thể hiện trạng thái cân bằng và cơ chế hấp phụ (Springer).

Ứng dụng trong nông nghiệp và địa kỹ thuật

Đất trồng với độ giữ nước (field capacity) và độ ẩm hạt mịn (wilting point) xác định lượng nước khả dụng cho cây. Đất có khả năng hấp thụ nước tốt giúp duy trì ẩm, hạn chế tưới ngập, cải thiện năng suất. Đo WA của đất hỗn hợp cát–sét giúp tính toán lịch tưới tiêu và phòng chống xói mòn (Scientific Reports).

Trong địa kỹ thuật, độ ẩm tối ưu theo Proctor xác định mật độ đầm chặt và độ bền chịu nén. Đất nền móng với WA cao có thể mất ổn định khi ngậm nước, gây lún không đều. Thử nghiệm CBR (California Bearing Ratio) kết hợp với đo WA dự báo khả năng chịu tải của nền đường và sân bay.

Ứng dụng trong vật liệu xây dựng

Bê tông và vữa xi măng hấp thụ nước trong giai đoạn thủy hóa tạo sản phẩm C–S–H. WA của cốt liệu ảnh hưởng đến tỉ lệ pha trộn và yêu cầu nước trộn. Vữa chứa cốt liệu có WA 1–3 % thường bổ sung nước chờ để đảm bảo cường độ thiết kế (Construction and Building Materials).

Gạch nung với WA > 15 % dễ thấm nước, giảm cường độ nén và tăng nguy cơ rêu mốc. Gạch có WA ≤ 8 % được xếp loại chất lượng cao, phù hợp cho khu vực mưa nhiều và điều kiện đóng băng–tan băng. Thử nghiệm ngâm đống (soak test) kết hợp đo WA đánh giá độ bền lâu dài.

Ứng dụng trong dược phẩm và sinh học

Hydrogel y sinh hấp thụ nước gấp 50–500 lần khối lượng, tạo môi trường ẩm cho vết thương và kiểm soát giải phóng thuốc. Chỉ số WA và tốc độ phồng nở quyết định thời gian giải phóng dược chất (Polymer).

Trong nuôi cấy vi mô (microfluidics), vật liệu PDMS hấp thụ nước làm thay đổi kích thước kênh dẫn vi dịch, ảnh hưởng đến độ chính xác liều lượng. Đo WA của PDMS giúp thiết kế màng phủ ngăn thấm và ổn định hệ vi ướt.

Mô hình toán học và mô phỏng

Phương trình Richards mô phỏng dòng thấm trong môi trường xốp: $\frac{\partial \theta}{\partial t} = \nabla \cdot [K(\theta)\nabla (\psi + z)],$ trong đó θ là độ ẩm thể tích, K(θ) hệ số dẫn nước và ψ áp suất mao quản. Mô phỏng này ứng dụng trong dự báo ngập lụt và tối ưu tưới tiêu (Springer).

Mô hình hấp phụ bề mặt trên vật liệu nano thường dùng phương trình BET: $\frac{1}{v\left(\frac{p_0}{p}-1\right)}=\frac{C-1}{v_mC}\frac{p}{p_0}+\frac{1}{v_mC},$ v là thể tích hấp phụ, p/p₀ áp suất tương đối, vₘ khối lượng monolayer và C hằng số nhiệt hấp phụ.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Đo WA trong điều kiện biến thiên nhanh (như môi trường ngoài trời) gặp khó khăn do mất cân bằng thẩm thấu và bay hơi. Cảm biến ẩm siêu nhỏ (micro-sensors) và IoT cho phép theo dõi thời gian thực, nâng cao độ chính xác (Computerized Radiology).

Mô phỏng đa quy mô (nano đến macroscale) là hướng phát triển mới. Kết hợp mô hình phân tử động lực học (MD) và mô hình continuum giúp dự đoán cơ chế tương tác nước–vật liệu ở nhiều cấp độ. Học máy hỗ trợ tối ưu tham số và ước lượng nhanh K(θ) mà không cần thí nghiệm toàn diện.

Tài liệu tham khảo

1. Hillel D. Soil Physics. Academic Press, 2003.
2. Griffin JH. “Water absorption in concrete: mechanisms and measurement.” Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 21, 2009, pp. 12–19. DOI.
3. Cai Q et al. “Neutron imaging of water uptake in porous media.” Applied Radiation and Isotopes, vol. 133, 2018, pp. 1–7. Link.
4. Kumar V et al. “Hydrogel water absorption and drug release kinetics.” Polymer, vol. 121, 2017, pp. 115–124. Link.
5. Richards LA. “Capillary conduction of liquids through porous mediums.” Physics, vol. 1, 1931, pp. 318–333.
6. Richards NG, Schatz GC. “Multiscale modeling of water transport.” Advances in Water Resources, 2020.