Plasma lạnh là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Plasma lạnh

Plasma lạnh, hay cold plasma, là pha vật chất thứ tư, bao gồm hỗn hợp các hạt tải điện như electron, ion dương, gốc tự do và phân tử trung hòa. Khác với plasma nhiệt (thermal plasma), trong đó các thành phần đạt nhiệt độ cân bằng cao, plasma lạnh duy trì nhiệt độ trung bình của khí (ions và neutrals) gần với nhiệt độ phòng (< 50 °C) trong khi electron vẫn giữ nhiệt độ điện tử cao (10³–10⁴ K).

Plasma lạnh thường được tạo ra ở áp suất khí quyển hoặc áp suất thấp, với mật độ electron dao động từ 10¹⁵ đến 10¹⁸ m⁻³. Tính không nhiệt cho phép ứng dụng trực tiếp lên bề mặt nhạy cảm nhiệt như polymer, mô sinh học hoặc thực phẩm mà không gây biến tính hoặc tổn thương do nhiệt quá mức ScienceDirect.

Các thành phần hóa học chủ yếu gồm các loại hạt phản ứng (reactive species) như O·, OH·, NO·, O₃, H₂O₂ và các hạt mang điện. Sự kết hợp giữa tia UV phát xạ từ plasma và reactive species mang lại khả năng khử khuẩn, oxy hóa hữu cơ và thay đổi tính chất bề mặt vật liệu một cách hiệu quả.

Nguyên lý vật lý

Plasma lạnh hoạt động dựa trên cơ chế tương tác giữa trường điện từ và các hạt plasma. Electron, do khối lượng rất nhỏ, được gia tốc bởi trường điện để đạt năng lượng cao, trong khi ion và neutrals va chạm với tốc độ thấp hơn, duy trì nhiệt độ khí thấp. Quá trình va chạm electron-neutral kích thích phân tử phát xạ quang học và sinh ra reactive species.

Tính quasi-neutral của plasma được mô tả qua chiều dài Debye, thể hiện vùng màn chắn điện tích xung quanh một hạt tích điện:

$\lambda_D = \sqrt{\frac{\varepsilon_0 k_B T_e}{n_e e^2}}$

Trong đó ε₀ là hằng số điện môi chân không, k_B là hằng Boltzmann, Tₑ là nhiệt độ electron và nₑ là mật độ electron. Giá trị λ_D thường từ 10⁻⁵ đến 10⁻³ m, xác định vùng plasma duy trì tính trung hòa điện ở quy mô vi mô.

Kỹ thuật tạo Plasma lạnh

Phương pháp phổ biến nhất là phóng điện vi dải (Dielectric Barrier Discharge – DBD) dưới áp suất khí quyển. DBD sử dụng hai điện cực có lớp cách điện xen kẽ, áp dụng điện áp xoay chiều 1–10 kV, tần số từ vài kHz đến MHz, tạo nhiều vi plasma dạng bọt khí rải rác giữa các điện cực.

• DBD áp suất khí quyển: dễ triển khai, không cần buồng chân không, dùng cho xử lý bề mặt rắn và khí thải.
• Jet plasma (plasma jet): khí trơ (Ar, He) làm môi trường mang plasma, phun thành tia tập trung, ứng dụng khử khuẩn y sinh.
• Gliding arc plasma: phóng điện hồ quét (gliding arc) tạo plasma dạng vòm, thích hợp xử lý khí thải và nhiên liệu sinh học ScienceDirect.

Các thông số quan trọng gồm điện áp, tần số, lưu lượng khí mang và khoảng cách giữa điện cực, điều chỉnh để tối ưu mật độ reactive species và giảm tổn thương nhiệt cho mẫu xử lý.

Đặc trưng và chẩn đoán

Chẩn đoán plasma lạnh đòi hỏi đo đạc đồng thời: nhiệt độ electron, mật độ electron, thành phần hóa học và cường độ phát xạ quang. Phổ phát xạ quang học (Optical Emission Spectroscopy – OES) ghi nhận bước sóng phát xạ từ các nguyên tử và phân tử kích thích, cho phép định tính reactive species và ước tính Tₑ thông qua tỷ số cường độ các đường phổ nhất định.

Cảm biến Langmuir probe đo đường cong I–V để xác định mật độ electron nₑ và điện thế trội (plasma potential). Phương pháp khối phổ ion (Mass Spectrometry) tách phân tích các ion và phân tử trung hòa, cung cấp phổ reactive species đầy đủ.

Phương pháp	Đo lường	Ưu nhược điểm
OES	Thành phần và Tₑ	Không xâm lấn, khó định lượng chính xác mật độ
Langmuir Probe	nₑ, Vₚ	Đơn giản nhưng xâm lấn, giới hạn ở áp suất thấp
Mass Spectrometry	Phân tích hóa học đầy đủ	Chi phí cao, cần hút chân không

Kết hợp nhiều kỹ thuật cho phép mô tả toàn diện đặc trưng plasma, phục vụ tối ưu hóa ứng dụng trong công nghiệp, môi trường và y sinh.

Ứng dụng công nghiệp và môi trường

Plasma lạnh được áp dụng rộng rãi trong xử lý bề mặt vật liệu, khử khuẩn khí thải và xử lý nước thải. Tại các nhà máy sản xuất polymer, cold plasma tạo ra nhóm chức oxy hóa (–OH, –COOH) trên bề mặt, cải thiện khả năng ướt và kết dính của sơn, keo mà không cần sử dụng dung môi hóa học.

Trong xử lý khí thải công nghiệp, plasma lạnh oxy hóa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) thành CO₂ và H₂O hoặc chuyển thành dạng dễ thu gom. Hệ thống dielectric barrier discharge (DBD) quy mô công nghiệp có thể xử lý lưu lượng khí lên tới 1.000 m³/h với hiệu suất loại bỏ VOCs trên 90 % ScienceDirect.

Xử lý nước thải bằng cold plasma kết hợp với ozone và tia UV tạo ra reactive oxygen species (ROS) như OH·, O₃, H₂O₂, oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật trong nước. Thời gian xử lý ngắn (5–15 phút) và không tạo ra sản phẩm phụ độc hại, phù hợp cho nước thải dược phẩm và chế biến thực phẩm.

• Xử lý bề mặt: cải thiện thìa nĩa, phim nhựa, màng mỏng.
• Khử VOCs: xử lý khí thải sơn, keo, dung môi.
• Xử lý nước: khử trùng, phá hủy chất ô nhiễm khó phân hủy.

Ứng dụng trong y sinh và thực phẩm

Trong y sinh, plasma lạnh được sử dụng để khử trùng dụng cụ y tế không thể hấp tiệt trùng nhiệt cao. Các hạt phản ứng ROS và RNS (reactive nitrogen species) phá vỡ màng tế bào vi khuẩn, vi rút và nấm mà không làm biến tính bề mặt kim loại hay polymer IOP Science.

Cold plasma còn ứng dụng trong điều trị vết thương mãn tính: bức xạ cấu trúc plasma kích thích biểu mô hóa và tăng sinh mạch máu, đồng thời diệt khuẩn tại chỗ. Thử nghiệm lâm sàng cho thấy tỷ lệ lành thương nhanh hơn 20–30 % so với phương pháp tiêu chuẩn PubMed.

Trong ngành thực phẩm, plasma lạnh khử trùng bề mặt trái cây, rau củ và thịt mà không làm thay đổi mùi vị hay giá trị dinh dưỡng. Thời gian xử lý ngắn (30–120 giây) giảm tải trọng vi sinh vật lên đến 4 log CFU/cm², kéo dài thời gian bảo quản thêm 5–7 ngày ở 4 °C.

• Khử trùng dụng cụ: ống tiêm, dao phẫu thuật, ống nội khí quản.
• Liệu pháp vết thương: plasma jet tại giường bệnh.
• Xử lý thực phẩm: trái cây, rau quả, thịt chế biến sẵn.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm	Hạn chế
Không sử dụng hóa chất, thân thiện môi trường	Chi phí thiết bị và điện năng tiêu thụ cao
Hiệu quả nhanh, xử lý tại chỗ không làm nóng vật liệu	Khó kiểm soát độ đồng đều trên bề mặt cong hoặc lỗ rỗng
Tạo reactive species đa dạng, đa năng trong khử khuẩn và oxy hóa	Cần bảo trì thường xuyên điện cực và hệ thống cách điện

Độ ổn định và tuổi thọ của plasma lạnh phụ thuộc vào cấu hình điện cực, chất liệu điện cực và điều kiện vận hành. Việc tối ưu thông số (điện áp, tần số, lưu lượng khí) rất quan trọng để đạt hiệu suất cao nhất với chi phí thấp nhất.

An toàn và tiêu chuẩn

Quá trình vận hành cold plasma phát sinh ozone, NOx và bức xạ UV có thể gây kích ứng đường hô hấp và da. Hệ thống phải trang bị ống dẫn khí thải, bộ lọc than hoạt tính và buồng kín với hệ thống hút khói.

Tiêu chuẩn IEC 62271-100 quy định yêu cầu an toàn cho thiết bị phóng điện cao áp, trong khi OSHA (Hoa Kỳ) giới hạn nồng độ ozone trong không khí làm việc tối đa 0.1 ppm và hạn mức tia UV ở 254 nm không vượt quá 6 mJ/cm² mỗi 8 giờ.

• Đeo kính bảo hộ chống tia UV, găng tay cách điện và khẩu trang lọc khí.
• Kiểm tra rò rỉ khí ozone định kỳ theo tiêu chuẩn OSHA.
• Bảo trì điện cực, cách điện mỗi 3–6 tháng hoặc sau 1.000 giờ hoạt động.

Tài liệu tham khảo

1. Laroussi M. (2005). Low‐temperature plasmas for medicine? IEEE Trans. Plasma Sci. 33(2): 168–175. https://ieeexplore.ieee.org/document/1413878
2. Tendero C., et al. (2006). Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectrochim. Acta Part B 61(1): 2–30. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854706000106
3. Scholtz V., et al. (2015). Cold Plasma in Food and Agriculture: Fundamentals and Applications. Trends in Food Science & Technology 44(2): 164–174. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924224415002019
4. Graves D.B. (2012). The emerging role of reactive oxygen and nitrogen species in redox biology and some implications for plasma applications to medicine. Biointerphases 7(1-4): 1–18. https://biointerphases.springeropen.com/articles/10.1007/s13758-012-0011-1
5. United States OSHA. “Ozone: Health Effects.” https://www.osha.gov/ozone
6. IEC 62271-100. “High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: Alternating current circuit-breakers.” International Electrotechnical Commission.