Tách pha là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Tách pha (Phase Separation) là một hiện tượng nhiệt động lực học nền tảng trong vật lý, hóa học, khoa học vật liệu và sinh học phân tử hiện đại. Trong quá trình này, một hệ thống vật chất ban đầu ở trạng thái hỗn hợp đồng nhất tự phát phân chia thành hai hoặc nhiều pha riêng biệt có thành phần cấu tạo, mật độ và đặc tính hóa lý khác biệt nhau. Động lực thúc đẩy quá trình tách pha xuất phát từ xu hướng tự nhiên của mọi hệ kín nhằm cực tiểu hóa năng lượng tự do tổng thể dưới những điều kiện biên nhất định về nhiệt độ, áp suất và nồng độ các cấu tử.

Nguyên lý nhiệt động lực học và điều kiện cân bằng pha

Theo góc nhìn nhiệt động lực học cổ điển, trạng thái cân bằng của một hệ nhiều cấu tử được quyết định bởi hàm năng lượng tự do Gibbs. Khi năng lượng tự do của trạng thái hỗn hợp đồng nhất cao hơn tổng năng lượng tự do của các pha phân tách thành phần, trạng thái đồng nhất trở nên không bền hoặc giả bền, kích hoạt quá trình phân tách pha tự phát. Sự cạnh tranh giữa entanpy tương tác và entropy trộn đóng vai trò quyết định cấu trúc pha cuối cùng của hệ thống.

Ở nhiệt độ cao, yếu tố entropy trộn thường chiếm ưu thế, thúc đẩy các phân tử khuếch tán hỗn loạn để tạo thành một dung dịch đồng nhất duy nhất. Tuy nhiên, khi hạ nhiệt độ hoặc thay đổi nồng độ, các lực tương tác hút giữa các phân tử cùng loại có thể vượt qua năng lượng chuyển động nhiệt. Khi đó, hệ thống sẽ giảm tổng năng lượng tự do bằng cách tự phân bố lại nồng độ để hình thành các miền pha giàu cấu tử này xen kẽ với các miền pha giàu cấu tử khác.

Lý thuyết Cahn - Hilliard và mô hình hóa trường pha

Trong việc nghiên cứu sự tiến triển không gian và thời gian của quá trình tách pha trong các hệ không đồng nhất, công trình kinh điển của Cahn và Hilliard công bố năm 1958 trên tạp chí The Journal of Chemical Physics đã tạo nên một bước ngoặt lý thuyết vĩ đại. Trước nghiên cứu năm 1958, các nhà khoa học thường coi bề mặt ranh giới giữa hai pha là một mặt phẳng gián đoạn vô cùng mỏng. Cahn và Hilliard đã đề xuất cách tiếp cận liên tục, mô tả bề mặt liên pha như một vùng chuyển tiếp có độ dày hữu hạn với nồng độ biến thiên trơn tru.

Các tác giả đã xây dựng biểu thức năng lượng tự do cho hệ không đồng nhất, trong đó bổ sung số hạng năng lượng gradien để tính đến chi phí nhiệt động của sự chênh lệch nồng độ trong không gian. Trên cơ sở lý thuyết trường pha này, phương trình động học phi tuyến Cahn - Hilliard đã ra đời nhằm mô tả sự biến thiên nồng độ theo thời gian:

$\frac{\partial c}{\partial t} = \nabla \cdot \left( M \nabla \frac{\delta F}{\delta c} \right)$

Trong phương trình vi phân trên, đại lượng $c$ biểu thị trường nồng độ cục bộ của thành phần khảo sát, biến số $M$ đại diện cho độ linh động khuếch tán của các phân tử trong môi trường, và hàm $F$ là hàm thế năng lượng tự do toàn phần của hệ thống. Đạo hàm biến phân của $F$ theo $c$ phản ánh thế hóa học tổng quát định hướng dòng dịch chuyển vật chất, giải thích hiện tượng khuếch tán ngược đặc trưng của sự phân rã spinodal.

Hai cơ chế động học tách pha: Phân rã spinodal và Tạo mầm

Quá trình tách pha trong thực tế diễn ra thông qua hai cơ chế động học cơ bản tùy thuộc vào vị trí của hệ trên giản đồ pha nhiệt động:

Cơ chế thứ nhất là phân rã spinodal (spinodal decomposition). Hiện tượng này xảy ra khi hệ thống bị đưa sâu vào vùng mất ổn định nhiệt động, nơi đạo hàm bậc hai của năng lượng tự do theo nồng độ mang giá trị âm. Trong vùng này, hệ thống hoàn toàn không có hàng rào kích hoạt năng lượng. Mọi thăng trầm nồng độ ngẫu nhiên siêu nhỏ dù là nhỏ nhất cũng lập tức tự khuếch đại, dẫn đến sự xuất hiện của cấu trúc mạng lưới đan xen liên tục trên toàn bộ thể tích vật liệu mà không cần quá trình tạo mầm rời rạc.

Cơ chế thứ hai là cơ chế tạo mầm và phát triển tinh thể hoặc giọt pha (nucleation and growth). Cơ chế này xảy ra trong vùng giả bền nằm giữa đường phân pha cân bằng và đường spinodal. Tại đây, hệ thống tương đối bền vững trước các dao động nồng độ nhỏ và chỉ phân tách khi xuất hiện một mầm pha có kích thước vượt qua bán kính tới hạn. Bán kính tới hạn là điểm cân bằng giữa năng lượng tự do thể tích được giải phóng và năng lượng căng bề mặt cần thiết để tạo lập diện tích tiếp xúc liên pha mới.

Bước đột phá sinh học: Tách pha lỏng - lỏng trong tế bào sống

Một trong những phát hiện khoa học mang tính cách mạng nhất của thế kỷ hai mươi mốt là việc chứng minh hiện tượng tách pha lỏng - lỏng (LLPS) đóng vai trò trung tâm trong cấu trúc tế bào sống. Năm 2009, trong một công trình then chốt công bố trên tạp chí Science, Brangwynne và các đồng nghiệp đã làm sáng tỏ bản chất vật lý của các hạt P trong phôi tuyến trùng Caenorhabditis elegans.

Nghiên cứu năm 2009 đã chứng minh rằng các hạt ribonucleoprotein nội bào không phải là các phức hợp protein rắn tĩnh tại, mà hành xử chính xác như những giọt chất lỏng vi mô có khả năng dung hợp trơn tru khi va chạm, nhỏ giọt linh hoạt và thấm ướt bề mặt các cấu trúc tế bào khác. Qua việc quan sát động học chất lưu, nhóm tác giả năm 2009 đã đo đạc độ nhớt và sức căng bề mặt của giọt ngưng tụ sinh học, đồng thời khẳng định sự chuyển pha vật lý là cơ chế hóa lý căn bản giúp định hình và phân bố các thành phần bên trong tế bào chất mà không cần đến màng bao bọc.

Đến năm 2014, Hyman, Weber và Jülicher đã công bố bài tổng quan chuyên khảo trên tập san Annual Review of Cell and Developmental Biology, chính thức xác lập khung lý thuyết hoàn chỉnh về vai trò sinh học của tách pha lỏng - lỏng. Nghiên cứu năm 2014 phân tích chi tiết cách thức tế bào sử dụng hiện tượng tách pha để tổ chức hàng loạt phản ứng sinh hóa phức tạp bên trong các bào quan không màng, bao gồm hạch nhân, thể hạt ứng kích và các phức hợp phiên mã nhân tế bào. Sự cô lập các phân tử protein và axit nucleic vào các giọt ngưng tụ nồng độ cao giúp tăng cường tốc độ phản ứng xúc tác enzyme và điều hòa biểu hiện gen một cách tinh vi.

Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp hóa chất và khoa học vật liệu

Bên cạnh vai trò cốt lõi trong cơ chế sinh học phân tử, tách pha từ lâu đã là nguyên lý nền tảng cho nhiều quy trình công nghệ trong đời sống và sản xuất công nghiệp:

Trong công nghiệp luyện kim và vật liệu kim loại, hiện tượng phân tách pha rắn đóng vai trò quyết định đối với độ bền cơ học và tính chống ăn mòn của thép không gỉ, hợp kim nhôm và siêu hợp kim chịu nhiệt. Việc kiểm soát quá trình làm nguội giúp định hình cấu trúc vi mô phân tán các hạt kết tủa nano, ngăn chặn sự dịch chuyển của các lệch mạng tinh thể và gia tăng giới hạn chảy của vật liệu.

Trong kỹ thuật polyme và màng lọc công nghệ cao, phương pháp tách pha cảm ứng nhiệt hoặc tách pha cảm ứng dung môi (TIPS và NIPS) được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các màng lọc xốp có kích thước lỗ rỗng đồng đều. Kỹ thuật này cho phép sản xuất các màng lọc thẩm thấu ngược dùng trong lọc nước mặn, màng siêu lọc cho y tế và các tấm xốp cách nhiệt nhẹ với độ xốp cao.

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm và dược phẩm, kiểm soát sự tách pha lỏng - lỏng là chìa khóa để ổn định hệ nhũ tương của sữa chua, sốt mayonnaise, kem dưỡng da và các công thức thuốc bao vi nang phân phối hoạt chất trúng đích, giúp tối ưu hóa khả năng hấp thu sinh học và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.