1. Tiểu phân là gì?

Theo Từ điển Webster, một tiểu phân là “một lượng nhỏ hoặc hạt nhỏ” hoặc “một phần hoặc lượng rời rạc tương đối nhỏ hoặc nhỏ nhất”. Một tiểu phân có thể nhỏ như một quark hoặc lớn như mặt trời. Trong vũ trụ bao la, mặt trời chỉ là một tiểu phân nhỏ! Do đó, phạm vi khoa học và công nghệ để nghiên cứu các tiểu phân có thể rộng như chúng ta có thể tưởng tượng, từ vật lý thiên văn đến vật lý hạt nhân. Do đó, chúng ta phải xác định loại tiểu phân mà chúng ta quan tâm.

“Fine Particles” là một thuật ngữ thường dành riêng cho các tiểu phân có đường kính dao động từ vài nanomet đến vài mm. Các tiểu phân có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Những dạng này bao gồm các đại phân tử sinh học và polyme — có thể tồn tại dưới dạng chuỗi và mạng tuyến tính, bao gồm protein, hydrogel, chuỗi DNA, latex, v.v. Các tiểu phân cũng có thể bao gồm các quần thể vô cơ nhỏ, các phân tử kim loại, hoặc hữu cơ – hoặc trong một số trường hợp, thậm chí những không gian trống như microbubbles. Tuy nhiên, dạng phổ biến nhất của các tiểu phân là những mảnh vật liệu rời cực nhỏ, chẳng hạn như oxit kim loại, đường, bột dược phẩm, sơn, hoặc thậm chí kem không sữa được sử dụng để làm cho cà phê hương vị thơm ngon.

Đặc tính và đếm tiểu phân chủ yếu liên quan đến việc nghiên cứu các tiểu phân trong phạm vi kích thước thể hiện trong Hình 1.1. Trong phạm vi kích thước này, có hai thuộc tính có thể phân biệt các tiểu phân với vật liệu rời:

A. Trong một hệ, tồn tại một số lượng lớn các tiểu phân. Mỗi tiểu phân riêng lẻ có thể có các tính chất vật lý hoặc hóa học khác nhau nếu vật liệu không đồng nhất. Tập hợp các tính chất thường là những gì có thể quan sát một cách vĩ mô. Các tính chất vĩ mô có nguồn gốc từ sự đóng góp của các tiểu phân riêng lẻ. Nếu tính chất liên quan là giống nhau cho tất cả các tiểu phân trong hệ, hệ được coi là “monodisperse”. Nếu tất cả hoặc một số tiểu phân trong hệ có các giá trị khác nhau đối với tính chất quan tâm, hệ được gọi là “polydisperse”. Một thuật ngữ khác, “pausidisperse” đôi khi được sử dụng để mô tả các hệ với một số lượng nhỏ các nhóm riêng biệt. Tất cả các tiểu phân trong một nhóm nhất định có cùng giá trị cho các đặc tính liên quan.

B. Diện tích bề mặt cụ thể (diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng) của các tiểu phân nhỏ cao đến mức nó dẫn đến nhiều hiện tượng giao thoa đáng kể, chẳng hạn như tương tác bề mặt với môi trường xung quanh và các tiểu phân lân cận. Ví dụ, một tiểu phân hình cầu có mật độ 2 g / cm3 sẽ có diện tích bề mặt cụ thể là 3 cm2 / g khi đường kính là một cm. Diện tích bề mặt cụ thể tăng lên 3.000.000 cm2 / g nếu đường kính giảm xuống còn 10nm. Ví dụ này minh họa cách kích thước của một tiểu phân xác định diện tích bề mặt, từ đó xác định nhiệt động lực học và độ ổn định động học của một hệ thống tiểu phân nhất định.

Tính chất bề mặt nói trên chỉ dành cho các tiểu phân keo. Hệ keo được Thomas Graham đặt ra vào năm 1861 từ gốc Hy Lạp có nghĩa là ‘như keo’, dựa trên quan sát của ông rằng các phân tử keo không đi qua màng thẩm tích. Do đó, sự nghiên cứu hệ keo dựa trên kích thước của đơn vị của nó. Nhiều tính chất vật lý bên cạnh tính chất được quan sát bởi Graham được thể hiện bằng các hệ keo, theo định nghĩa nition, bao gồm các hệ có kích thước ít nhất một chiều nhỏ hơn một micron. Nói chung, các tiểu phân keo có kích thước từ 10-9 m đến 10-6 m.

2. Các tiểu phân trong xã hội của chúng ta

Trong chất cơ bản trên, huyền phù hệ keo, sol khí và nhũ tương phổ biến trong nhiều lĩnh vực và có ứng dụng cao trong công nghiệp hoặc giới học viện. Một số lĩnh vực liên quan đến các hệ thống tiểu phân:

• Chất mài mòn
• Ngành bia
• Y sinh
• Công nghệ sinh học
• Sinh học tế bào
• Đánh bóng cơ hoá học
• Vật liệu sắc ký
• Đất sét
• Mỹ phẩm
• Nghiên cứu tác dụng của nhiệt độ thấp tới các hệ sinh học
• Tinh thể
• Công nghiệp điện tử
• Nhũ tương
• Môi trường
• Hiệu quả lọc
• Nuôi cá
• Công nghiệp thực phẩm
• Nhiên liệu
• Chất lỏng thủy lực
• Dầu nhờn
• Sinh học biển
• Hình ảnh y khoa
• Kim loại
• Công nghệ nano
• Sơn và bột màu
• Công nghiệp giấy
• Thuốc trừ sâu
• Công nghiệp hóa dầu
• Dược phẩm
• Ngành điện ảnh
• Dầu
• Mực in
• Ô nhiễm nước

Công nghệ tiểu phân ứng dụng rộng rãi vào xã hội của chúng ta. Chúng không chỉ được sử dụng làm công cụ phân tích trong nhiều ngành công nghiệp để kiểm soát chất lượng và quy trình, mà còn cực kỳ hữu ích trong một số lĩnh vực như ngành môi trường để xử lý chất thải, ngăn ngừa ô nhiễm và giám sát khí thải. Các ngành công nghiệp mới, như công nghệ sinh học, đang ngày càng sử dụng các phân tích đặc tính tiểu phân trong cả quá trình nghiên cứu và sản xuất.

3. Đặc tính của hệ tiểu phân

Một lĩnh vực trọng tâm trong khoa học và công nghệ tiểu phân là đặc tính của kích thước và nồng độ của tiểu phân. Tập hợp các hệ tiểu phân và nhiều thông số vật lý phụ thuộc nhiều vào kích thước và số lượng tiểu phân có trong hệ.

Có nhiều kỹ thuật được sử dụng trong đặc tính tiểu phân vì kích thước (từ nanomet đến milimét) và hình dạng (từ hình cầu rắn đến các miếng xốp) cực kỳ lớn. Trước các công nghệ phân tích tiểu phân hiện đại, các phương pháp đánh giá duy nhất có sẵn là các phương pháp tách vật lý như sàng, chỉ có thể được sử dụng cho các tiểu phân lớn hơn vài chục micron. Ngoài ra, các phương pháp tách cổ điển thường chỉ có thể tách các tiểu phân thành nhiều kích cỡ; Điều này dẫn đến độ phân giải rất thấp. Kính hiển vi quang học có thể là ngoại lệ duy nhất cho điều này vì nó là một phương pháp cung cấp quan sát trực quan các tiểu phân riêng lẻ với kích thước xuống đến phạm vi micron. Tuy nhiên, với kính hiển vi quang học, vài chục tiểu phân quan sát được sử dụng để ngoại suy các tính chất của hàng tỷ đến hàng nghìn tỷ tiểu phân trong dung dịch. Ngày nay, nhiều công nghệ mới, tinh vi có sẵn có thể được sử dụng nhờ đặc tính tiểu phân.

4. Cách xác định kích thước của một tiểu phân

Đối với một tiểu phân không hình cầu hoặc hình khối, chúng ta sẽ cần nhiều hơn một tham số để mô tả kích thước của nó. Câu hỏi đặt ra là: “Chúng ta có thể chọn chỉ một vài chiều để mô tả một tiểu phân không?” Câu trả lời là “có” cho các đối tượng có hình dạng thông thường như hình chữ nhật (hai hoặc ba chiều) hoặc hình trụ (hai chiều). Tuy nhiên, đối với các tiểu phân có hình dạng bất kỳ, kích thước không thể được mô tả hoàn toàn chỉ bằng một vài tham số. Nếu chúng ta chỉ xử lý một vài tiểu phân, có thể có được tất cả các số lượng cần thiết để mô tả kích thước của các tiểu phân mặc dù khó khăn.

Tuy nhiên, khi nói về hàng triệu tiểu phân, khả năng mô tả chúng riêng lẻ là không thực tế, chỉ một số lượng định cỡ được sử dụng để phân tích mỗi tiểu phân. Định nghĩa mà chúng tôi sử dụng để xác định kích thước sẽ ảnh hưởng đến dữ liệu kích thước thu thập được. Người ta cho rằng chỉ có một cách để xác định kích thước; trên thực tế, có nhiều định nghĩa khác nhau về việc sử dụng một kích thước duy nhất để mô tả các tiểu phân có hình dạng 3D bất kỳ. Định nghĩa định cỡ phổ biến nhất là sử dụng biểu diễn hình cầu tương đương – vì hình cầu là một vật thể 3D chỉ cần một số (đường kính) để mô tả hoàn toàn kích thước. Nếu tất cả các chiều của tiểu phân ngưng tụ thành số lượng riêng lẻ, phải nhớ rằng số lượng này vốn sẽ chứa thông tin sai lệch hoặc tóm tắt về tiểu phân, với mức độ biến dạng có liên quan đến hình dạng của tiểu phân. Có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi kích thước tiểu phân có hình dạng 3D bất kỳ thành các hình cầu tương đương. Dưới đây là một vài định nghĩa thường xuất hiện trong tài liệu:

• Đường kính Heywood (tương đương hình cầu)
• Đường kính Martin
• Đường kính Feret
• Đường kính Krummbein

Ngoài ra, còn có:

• Hình cầu có cùng chiều dài tối đa
• Hình cầu có cùng chiều dài tối thiểu
• Hình cầu có cùng trọng lượng
• Hình cầu có cùng diện tích bề mặt
• Hình cầu có cùng khẩu độ sàng
• Hình cầu có cùng tốc độ lắng

Hình cầu tương đương thể tích (đường kính Heywood) là hình cầu được sử dụng trong hầu hết các công nghệ xác định kích thước tiểu phân. Một điều quan trọng cần hiểu là phương pháp được sử dụng để đo các tiểu phân có hình dạng 3D bất kỳ sẽ ảnh hưởng đến kết quả về đường kính hình cầu tương đương. Sự phân bố đường kính hình cầu hoặc đường kính trung bình thu được bằng các công nghệ khác nhau sẽ có độ lệch khác nhau so với đường kính tương đương thực tế của các tiểu phân do cả độ nhạy về hình dạng của công nghệ và sự hiệu chỉnh cho các tiểu phân khác nhau trong mẫu. Một kỹ thuật có thể nhìn thấy nhiều tiểu phân lớn hơn trong khi một kỹ thuật khác có thể nhìn thấy nhiều tiểu phân nhỏ hơn. Kết quả nào đúng?

Nguồn: