Khi tìm hiểu các hiện tượng liên quan đến sự chuyển động của các phân tử trong chất khí, chất lỏng hay màng sinh học ta không thể không nhắc đến định luật Fick. Là một định luật kinh điển mô tả quá trình khuếch tán, hiện tượng mà các hạt di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp để đạt đến trạng thái cân bằng. Định luật này do nhà vật lý người Đức Adolf Fick đề xuất vào giữa thế kỷ mười chín vẫn còn nguyên giá trị ứng dụng cho đến ngày nay.
Khái quát về hiện tượng khuếch tán
Khuếch tán là quá trình mà các hạt chuyển động ngẫu nhiên lan tỏa ra toàn bộ không gian chứa chúng. Trong môi trường chất lỏng hoặc khí, các phân tử không đứng yên mà luôn dao động không ngừng. Chính sự dao động này dẫn đến việc phân tử dịch chuyển từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp.
Ví dụ điển hình là khi nhỏ một giọt mực vào ly nước, ban đầu mực tập trung tại một điểm nhưng theo thời gian sẽ lan rộng ra khắp thể tích nước. Quá trình lan rộng ấy là khuếch tán. Định luật Fick cung cấp công cụ toán học để mô tả với cả định lượng tốc độ lan rộng này một cách chính xác.
Định luật Fick thứ nhất
Định luật Fick thứ nhất áp dụng cho trạng thái ổn định khi nồng độ không thay đổi theo thời gian. Theo định luật này, dòng chất khuếch tán đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với độ dốc nồng độ tại vị trí đó. Dòng chất luôn hướng từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp và cường độ dòng tỷ lệ nghịch với khoảng cách mà nồng độ thay đổi.
Hệ số tỷ lệ trong định luật gọi là hệ số khuếch tán. Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của phân tử khuếch tán, môi trường khuếch tán, nhiệt độ, áp suất. Phân tử nhỏ trong môi trường loãng và nhiệt độ cao sẽ khuếch tán nhanh hơn so với phân tử lớn trong môi trường nhớt.
Định luật Fick thứ hai
Khi nồng độ thay đổi theo thời gian, định luật Fick thứ nhất không còn đủ để mô tả. Lúc này định luật Fick thứ hai được sử dụng. Định luật này mô tả tốc độ thay đổi nồng độ tại một điểm trong không gian là kết quả của sự biến thiên không gian của dòng khuếch tán.
Đây là một phương trình đạo hàm riêng có thể giải bằng các phương pháp toán học khác nhau để dự đoán nồng độ tại mọi điểm theo thời gian. Với các điều kiện biên cụ thể như nồng độ không đổi tại biên, hay nguồn phát liên tục, người ta có thể giải định luật này để tính toán sự phân bố chất trong quá trình lan truyền.
Vai trò trong các ngành khoa học và công nghệ
Định luật Fick có mặt trong nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Trong y học với dược phẩm nó được dùng để tính lượng thuốc hấp thụ qua da, qua màng tế bào hay từ viên thuốc vào máu. Trong sinh học, định luật này mô tả trao đổi khí giữa phế nang phổi với máu hay trao đổi chất trong tế bào.
Trong công nghiệp, định luật Fick áp dụng để tính toán sự thẩm thấu của khí qua màng polymer, tính thời gian cần thiết để hương liệu thấm đều trong thực phẩm hay xác định tốc độ lan tỏa của chất gây ô nhiễm trong không khí với nước.
Trong công nghệ vật liệu nó giúp mô phỏng quá trình tôi luyện kim loại hay khuếch tán nguyên tố trong lớp phủ vật liệu. Trong nông nghiệp định luật này hỗ trợ thiết kế hệ thống cung cấp dinh dưỡng hay nước tưới cho cây trồng một cách hiệu quả.
Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng dao động phân tử tăng, khiến phân tử khuếch tán nhanh hơn. Độ nhớt của môi trường cũng ảnh hưởng trực tiếp, môi trường nhớt cao làm hạn chế chuyển động tự do của các phân tử, dẫn đến tốc độ khuếch tán giảm.
Kích thước và khối lượng của phân tử cũng đóng vai trò đáng kể. Phân tử lớn có động năng thấp hơn thường khó di chuyển qua các môi trường hẹp như màng sinh học. Cấu trúc không gian như độ rỗng hoặc độ dày màng là yếu tố thiết kế quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật.
Giới hạn, mở rộng
Định luật Fick chính xác trong môi trường đồng nhất và khi chuyển động phân tử là hoàn toàn ngẫu nhiên. Tuy nhiên trong môi trường phức tạp như vật liệu xốp, polyme gel, hệ vi mô có dòng đối lưu mạnh, cần áp dụng các mô hình mở rộng. Khuếch tán trong những điều kiện đó không còn tuyến tính phải dùng định luật phi Fick để mô tả.
Ngoài ra trong môi trường sinh học, tương tác giữa phân tử với màng hay với protein đặc hiệu cũng làm sai lệch phân bố khuếch tán đòi hỏi mô hình kết hợp giữa khuếch tán phản ứng.
Định luật Fick là một công cụ mạnh mẽ giúp mô tả tính toán các quá trình khuếch tán trong khoa học công nghệ. Dù được đề xuất cách đây hơn một thế kỷ định luật này vẫn chứng tỏ tính thời đại được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ y học, sinh học, hóa học đến công nghiệp với nông nghiệp.
Hiểu với áp dụng đúng định luật Fick cho phép nhà khoa học và kỹ sư dự đoán tối ưu hóa nhiều quy trình quan trọng. Với khả năng mô tả các hiện tượng lan truyền của phân tử định luật Fick tiếp tục là nền tảng không thể thiếu trong việc phát triển công nghệ giải quyết các vấn đề thực tiễn trong xã hội hiện đại