Kích thước hạt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa kích thước hạt

Kích thước hạt là đại lượng đặc trưng biểu thị kích thước của một hạt đơn lẻ trong vật liệu rắn, lỏng hoặc khí. Trong thực tế, do hầu hết các hệ vật liệu chứa nhiều hạt có hình dạng và kích thước không đồng nhất, kích thước hạt thường được định nghĩa theo các khái niệm trung bình hoặc tương đương như đường kính hình cầu tương đương (equivalent spherical diameter).

Thông số này có vai trò then chốt trong vật lý hạt, vật liệu học, dược phẩm, công nghệ nano và xử lý môi trường. Kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng phản ứng, tính cơ học, tốc độ lắng, khả năng hòa tan, độ ổn định huyền phù và nhiều thuộc tính khác.

Ví dụ, trong xử lý nước, hạt floc nhỏ hơn 1 µm khó lắng mà phải loại bỏ bằng siêu lọc, trong khi trong ngành xi măng, phân bố hạt mịn ảnh hưởng đến tốc độ thủy hóa. Tại Horiba Scientific, kích thước hạt được định nghĩa và phân tích theo chuẩn công nghiệp toàn cầu.

Các cách định nghĩa kích thước hạt

Do hình dạng hạt không phải lúc nào cũng là hình cầu lý tưởng, nhiều khái niệm kích thước khác nhau được áp dụng để mô tả hình học thực tế. Một hạt có thể được mô tả bằng nhiều loại “đường kính tương đương”, mỗi loại đại diện cho một tính chất đo cụ thể.

• Đường kính Feret: khoảng cách giữa hai mặt song song giới hạn hạt, phụ thuộc hướng đo.
• Đường kính Martin: chia hạt thành hai nửa có diện tích bằng nhau, dễ áp dụng trong ảnh học.
• Đường kính Stokes: tính toán từ vận tốc lắng của hạt theo định luật Stokes.
• Đường kính tương đương hình cầu: giả định hạt có cùng diện tích hoặc thể tích như một hình cầu có cùng tính chất đo.

Việc lựa chọn định nghĩa nào phụ thuộc vào phương pháp đo và mục tiêu ứng dụng. Trong kỹ thuật laser diffraction, đường kính thể tích tương đương thường được sử dụng. Trong phân tích hình ảnh, đường kính Martin hoặc Feret được ưu tiên vì dễ xác định qua phần mềm xử lý ảnh.

Phân bố kích thước hạt

Trong thực tế, vật liệu hiếm khi có tất cả các hạt cùng kích thước. Do đó, người ta dùng hàm phân bố kích thước hạt để mô tả toàn bộ hệ. Phân bố này có thể là tuyến tính, log-normal hoặc skewed, phản ánh mức độ đồng nhất hay không đồng nhất của vật liệu.

Các thông số D10, D50, D90 thường dùng để mô tả khoảng phân bố. Hệ có khoảng giữa D90 và D10 nhỏ được coi là phân bố hẹp, đồng đều; ngược lại, hệ có khoảng rộng được xem là đa phân tử. Biểu đồ tích lũy (cumulative distribution curve) hoặc histogram là công cụ phổ biến để biểu diễn dữ liệu này.

Phương pháp đo kích thước hạt

Các kỹ thuật đo kích thước hạt phụ thuộc vào phạm vi kích thước, hình dạng và trạng thái vật liệu. Mỗi kỹ thuật cung cấp một cách nhìn khác nhau về kích thước hạt, từ trung bình hình học đến phân bố thể tích.

• Laser Diffraction: phổ biến trong dải 0.1–3000 µm, cho kết quả nhanh và có thể tái lập.
• Dynamic Light Scattering (DLS): dùng cho hạt nhỏ 1–1000 nm trong hệ keo hoặc nano.
• Hiển vi điện tử (SEM/TEM): cho ảnh chi tiết đến cấp độ nm, hữu ích với vật liệu nano.
• Phân tích hình ảnh: kết hợp camera và phần mềm để đo hàng nghìn hạt đồng thời.
• Sàng rây: áp dụng với hạt thô 40 µm đến vài mm, phổ biến trong công nghiệp vật liệu xây dựng.

Việc lựa chọn phương pháp đo cần dựa vào đặc tính mẫu, độ chính xác yêu cầu và tính khả thi của thiết bị. Trong một số trường hợp, cần kết hợp nhiều phương pháp để có cái nhìn toàn diện.

Ảnh hưởng của kích thước hạt đến tính chất vật liệu

Kích thước hạt ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính lý – hóa – cơ học của vật liệu, đặc biệt trong các lĩnh vực như công nghệ nano, dược phẩm, vật liệu xây dựng và xúc tác. Khi kích thước hạt giảm, diện tích bề mặt riêng tăng lên theo tỷ lệ nghịch, làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và khả năng tương tác với môi trường xung quanh.

Với hệ hạt mịn, lực Van der Waals, lực hút tĩnh điện và hiện tượng kết tụ trở nên đáng kể, ảnh hưởng đến độ ổn định của huyền phù hoặc keo. Các hệ thống này thường yêu cầu chất phân tán hoặc kiểm soát pH để duy trì tính phân tán bền vững.

Ứng dụng của kiểm soát kích thước hạt

Việc kiểm soát kích thước hạt là điều kiện bắt buộc trong sản xuất công nghiệp nhằm đảm bảo chất lượng, độ ổn định và hiệu suất sản phẩm. Trong ngành dược phẩm, kích thước hạt quyết định tốc độ hòa tan của thuốc, ảnh hưởng đến sinh khả dụng (bioavailability) và tốc độ hấp thu trong cơ thể.

Trong sơn và mực in, hạt pigment phải nhỏ và đồng đều để đảm bảo độ mịn, độ che phủ và độ bền màu. Ngành xi măng sử dụng phối liệu với kích thước hạt chuẩn để tối ưu hóa quá trình thủy hóa và độ bền lâu dài của sản phẩm.

• Dược phẩm: dạng thuốc bột mịn giúp giải phóng hoạt chất nhanh hơn
• Sơn phủ: pigment < 1 µm tạo lớp phủ mịn và bền màu
• Thực phẩm: sữa bột, cà phê hòa tan yêu cầu hạt nhỏ để dễ hòa tan
• Nông nghiệp: phân bón dạng hạt cần kiểm soát để đảm bảo giải phóng hợp lý

Phân tích thống kê kích thước hạt

Việc mô tả kích thước hạt không chỉ dựa vào giá trị trung bình mà cần phân tích đầy đủ theo các tham số thống kê. Các chỉ số phổ biến bao gồm giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên để đánh giá mức độ phân tán và đồng đều của hệ hạt.

• Giá trị trung bình: $\bar{x} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} x_i$
• Độ lệch chuẩn: $\sigma = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})^2}$
• Hệ số biến thiên: $CV = \frac{\sigma}{\bar{x}} \times 100\%$

Phân tích thống kê giúp xác định xem vật liệu có phân bố hẹp hay rộng, từ đó điều chỉnh quá trình nghiền, trộn hoặc lọc để cải thiện chất lượng. Dữ liệu này thường được trình bày bằng biểu đồ tích lũy, histogram hoặc biểu đồ log-log.

Kích thước hạt trong công nghệ nano

Trong công nghệ nano, kích thước hạt nhỏ hơn 100 nm mở ra nhiều tính chất vật lý mới như hiệu ứng lượng tử, thay đổi tần số hấp thụ ánh sáng, độ dẫn điện, từ tính và khả năng phản ứng bề mặt. Hạt nano được ứng dụng rộng rãi trong y học, điện tử, cảm biến và xúc tác.

Trong y học, kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu qua màng tế bào, tích lũy tại mô bệnh và thời gian lưu hành trong máu. Các hạt nano liposome, dendrimer, polymeric nanoparticle thường được thiết kế trong dải 20–200 nm để tối ưu hóa phân phối thuốc.

Đối với vật liệu quang học, như quantum dot, chỉ cần thay đổi vài nm trong đường kính hạt đã có thể điều chỉnh bước sóng phát xạ. Vì thế, việc kiểm soát và đo chính xác kích thước là yêu cầu bắt buộc trong công nghệ nano.

Tài liệu tham khảo

1. Horiba – What is Particle Size?
2. Bettersize – Particle Size Analysis Methods
3. ScienceDirect – Particle Size
4. ACS Langmuir – Nanoparticle Characterization
5. Sigma-Aldrich – Nanoparticle Size & Analysis