Đơn tinh thể là một khối mà mọi nguyên tử xếp theo cùng một mạng liền mạch; đa tinh thể gồm vô số hạt tinh thể nhỏ định hướng khác nhau, ghép lại qua các ranh giới hạt; vô định hình thì không có trật tự xa nào, như thuỷ tinh. Cùng một chất SiO₂ có thể là tinh thể thạch anh trong suốt, mã não nhiều lớp hay thuỷ tinh cửa sổ, và mỗi dạng có tính chất, công dụng khác hẳn nhau. Hiểu ba trạng thái này là hiểu vì sao chip cần đơn tinh thể, dao thép cần hạt mịn, còn kính cửa sổ lại là chất không kết tinh.
Ba cách nguyên tử "đứng xếp hàng"
Hãy hình dung một sân trường giờ chào cờ. Đơn tinh thể giống toàn trường xếp thành một khối hàng lối thẳng tắp, từ đầu này tới đầu kia. Đa tinh thể giống mỗi lớp xếp hàng ngay ngắn nhưng mỗi lớp quay một hướng, chỗ hai lớp giáp nhau là đường lộn xộn, chính là ranh giới hạt. Vô định hình giống đám đông giờ ra chơi: mỗi người vẫn đứng cách người bên cạnh một khoảng gần như nhau, nhưng không có hàng lối nào kéo dài.
| Đơn tinh thể | Đa tinh thể | Vô định hình | |
|---|---|---|---|
| Trật tự nguyên tử | Liền mạch trong cả khối | Liền mạch trong từng hạt | Chỉ trật tự gần, không có trật tự xa |
| Ranh giới hạt | Không có | Rất nhiều | Không có khái niệm hạt |
| Tính chất theo hướng | Khác nhau theo hướng (dị hướng) | Thường gần như đẳng hướng do trung bình | Đẳng hướng |
| Khi đun nóng | Nóng chảy ở nhiệt độ xác định | Nóng chảy ở nhiệt độ xác định | Mềm dần trong một khoảng nhiệt độ |
| Hình nhiễu xạ tia X | Chấm sắc nét | Vòng hoặc đỉnh sắc nét | Một "bướu" rộng, không có đỉnh nhọn |
| Ví dụ SiO₂ | Tinh thể thạch anh | Mã não, đá quartzit | Thuỷ tinh thạch anh, phần lớn opal |
SiO₂: một chất, ba số phận
Người chơi đá có sẵn trong tay một bộ mẫu hoàn hảo để thấy ba trạng thái, tất cả đều là silica:
- Tinh thể thạch anh mọc trong hốc đá: lăng trụ sáu mặt, mặt tinh thể phẳng, khúc xạ kép, vỡ theo vết vỏ sò nhưng hình dạng ngoài phản ánh mạng bên trong. Một tinh thể đẹp thường là một đơn tinh thể, dù không ít tinh thể có song tinh bên trong.
- Mã não, chalcedony: silica vi tinh thể, gồm những sợi thạch anh siêu nhỏ chỉ thấy dưới kính hiển vi, xếp thành từng lớp. Nó không có mặt tinh thể ngoài, mờ hơn, nhưng dai hơn tinh thể thạch anh, vì vết nứt phải luồn lách qua vô số hạt. Đó là lý do người xưa chọn mã não, đá lửa làm cối nghiền, công cụ đá.
- Opal và thuỷ tinh: phần lớn opal quý là silica vô định hình ngậm nước, những quả cầu silica nhỏ xếp hàng tạo ánh lửa màu, nhưng bên trong mỗi quả cầu không có mạng tinh thể. Đá vỏ chai (obsidian) là thuỷ tinh núi lửa, dung nham nguội quá nhanh nên nguyên tử không kịp xếp mạng. Thuỷ tinh thạch anh nhân tạo, nấu chảy silica tinh khiết rồi để nguội, là vật liệu của nồi kéo silicon, ống đèn halogen và sợi quang.
Thú vị là thuỷ tinh núi lửa không bền mãi: qua hàng triệu năm, nó từ từ kết tinh lại, nên obsidian rất cổ hiếm gặp. Trạng thái vô định hình là trạng thái "bị đóng băng giữa chừng", không phải trạng thái cân bằng.
Đa tinh thể ở khắp quanh ta
Gần như mọi kim loại ta cầm trong tay là đa tinh thể. Một chiếc thìa inox gồm hàng tỷ hạt tinh thể cỡ vài chục micromet. Không thấy được vì hạt quá nhỏ, nhưng có chỗ hạt lộ ra rất to:
- Tôn mạ kẽm: những mảng "hoa kẽm" sáng tối trên mặt tôn hay lan can mạ nhúng nóng chính là các hạt tinh thể kẽm, mỗi mảng một hướng nên phản xạ ánh sáng khác nhau.
- Tay nắm cửa bằng đồng thau lâu năm: chỗ mòn đôi khi lộ vân hạt khi bị ăn mòn nhẹ.
- Thiên thạch sắt: cắt, đánh bóng rồi ăn mòn bằng axit loãng, nhiều thiên thạch sắt hiện hoa văn đan chéo gọi là cấu trúc Widmanstätten, gồm những phiến hợp kim sắt – niken lớn tới centimet. Hạt lớn như thế chỉ mọc được khi lõi tiểu hành tinh mẹ nguội cực chậm, theo các ước tính chỉ từ vài độ đến vài trăm độ mỗi triệu năm. Không lò nào trên Trái Đất tái tạo được.
- Pin mặt trời đa tinh thể: vân lốm đốm xanh lam trên tấm pin là các hạt silicon, mỗi mảng một hướng.
Với kim loại, hạt càng nhỏ thì thường càng bền, vì ranh giới hạt chặn đường di chuyển của lệch mạng. Thợ rèn nung rồi làm nguội nhanh thép, các nhà luyện kim cán và ủ kim loại, phần lớn là để điều khiển cỡ hạt. Nhưng ở nhiệt độ rất cao, ranh giới hạt lại thành điểm yếu: nguyên tử khuếch tán dọc ranh giới, vật liệu "bò" dần dưới tải. Vì vậy cánh tuabin nóng nhất trong động cơ phản lực được đúc thành một đơn tinh thể siêu hợp kim niken duy nhất, không có ranh giới hạt nào để bò. Khuôn đúc có một ống xoắn nhỏ ở đáy, đóng vai "bộ chọn hạt": trong vô số hạt bắt đầu mọc, chỉ một hạt sống sót đi qua được ống xoắn và lớn lên thành cả cánh tuabin.
Khi ranh giới hạt làm vật liệu mờ đi
Một ví dụ quang học đẹp: sapphire đơn tinh thể trong suốt như nước, nhưng oxit nhôm đa tinh thể, dù tinh khiết như nhau, thường chỉ mờ đục hoặc trong mờ. Nguyên do là corundum khúc xạ kép: chiết suất hơi khác theo hướng. Mỗi hạt quay một hướng, ánh sáng đi qua ranh giới hạt bị bẻ đi một chút, qua hàng nghìn ranh giới thì tán xạ thành mờ. Ống phóng điện trong đèn natri cao áp chiếu sáng đường phố từng dùng chính loại oxit nhôm đa tinh thể trong mờ này, vì nó chịu được hơi natri nóng.
Garnet nhôm ytri (YAG) thì khác: nó thuộc hệ lập phương, không khúc xạ kép, nên các hạt dù quay hướng nào cũng có cùng chiết suất. Ép thiêu kết bột YAG thật kỹ, loại hết lỗ rỗng, sẽ được gốm đa tinh thể trong suốt gần như đơn tinh thể, đủ tốt để làm môi trường laser. Bài học: muốn gốm trong suốt, hãy chọn tinh thể lập phương. Spinel, cũng lập phương, được làm thành gốm trong suốt cho cửa sổ quang học vì lý do tương tự.
Kim loại cũng có thể là thuỷ tinh
Năm 1960, Pol Duwez và cộng sự ở Viện Công nghệ California làm nguội một hợp kim vàng – silic nhanh tới khoảng một triệu độ mỗi giây và thu được kim loại vô định hình đầu tiên, gọi là thuỷ tinh kim loại. Không có hạt, không có ranh giới hạt, không có lệch mạng để trượt, nên nhiều thuỷ tinh kim loại vừa rất bền vừa đàn hồi tốt. Băng hợp kim sắt vô định hình mỏng được dùng làm lõi một số máy biến áp phân phối, giảm tổn hao điện so với thép kỹ thuật điện thường.
Chiều ngược lại cũng được tận dụng: gốm thuỷ tinh. Người ta nấu thuỷ tinh rồi nung lại có kiểm soát để kết tinh một phần thành vô số tinh thể siêu nhỏ. Mặt bếp từ, bếp hồng ngoại màu đen thường làm bằng gốm thuỷ tinh: các tinh thể có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng không bù cho phần thuỷ tinh, nên mặt bếp chịu được nồi nóng đặt lên mà không nứt.
Góc nhìn hôm nay: tập nhận ra ba trạng thái
Ba quan sát làm được ngay:
- Đặt cạnh nhau một tinh thể thạch anh, một viên mã não và một mảnh thuỷ tinh. Soi vết vỡ bằng kính lúp 10 lần: thạch anh và thuỷ tinh đều vỡ vỏ sò bóng, mã não vỡ mờ hơn, mặt vỡ như sáp. Nhìn qua hai kính phân cực đặt vuông góc: thạch anh sáng lên đổi màu khi xoay, thuỷ tinh không ứng suất thì tối.
- Tìm một tấm tôn mạ kẽm hay cột lan can mạ kẽm còn mới, quan sát các mảng hoa kẽm dưới nắng nghiêng.
- Trong bảo tàng địa chất hay bảo tàng thiên thạch, tìm lát thiên thạch sắt đã ăn mòn để thấy cấu trúc Widmanstätten.
Khi cắt, mài các mẫu silica, nhớ làm ướt và đeo khẩu trang lọc bụi, vì bụi silic tinh thể gây bệnh bụi phổi. Cẩn thận với mép thuỷ tinh và obsidian vỡ, sắc hơn cả lưỡi dao thép.
Câu hỏi thường gặp
Đơn tinh thể và đa tinh thể khác nhau thế nào?
Đơn tinh thể là một khối mà toàn bộ nguyên tử xếp theo một mạng liền mạch, không có ranh giới hạt. Đa tinh thể gồm nhiều hạt tinh thể nhỏ, mỗi hạt định hướng khác nhau, ghép lại qua các ranh giới hạt. Phần lớn kim loại và gốm là đa tinh thể; chip silicon và tinh thể thạch anh trong đồng hồ là đơn tinh thể.
Chất vô định hình là gì?
Chất vô định hình có nguyên tử chỉ sắp xếp có trật tự trong phạm vi rất gần, không có mạng lặp lại xa. Thuỷ tinh, đá vỏ chai, nhựa, kẹo cứng là ví dụ. Chúng mềm dần trong một khoảng nhiệt độ thay vì nóng chảy ở một điểm xác định.
Thuỷ tinh và thạch anh khác nhau thế nào?
Cả hai có thể đều là SiO₂, nhưng thạch anh là tinh thể với mạng nguyên tử lặp lại đều đặn, còn thuỷ tinh là chất vô định hình. Thạch anh khúc xạ kép và có tính áp điện; thuỷ tinh đẳng hướng, không có hai tính chất này.
Vì sao cánh tuabin phải là đơn tinh thể?
Ở nhiệt độ rất cao, nguyên tử khuếch tán dọc ranh giới hạt khiến kim loại bị biến dạng dần dưới tải, gọi là hiện tượng rão. Đúc cánh tuabin thành một đơn tinh thể loại bỏ ranh giới hạt, giúp cánh chịu nhiệt và tải lâu hơn.
Mã não có phải là tinh thể không?
Mã não là silica vi tinh thể: gồm vô số sợi thạch anh siêu nhỏ xếp thành lớp, nên về bản chất là đa tinh thể. Nó không có mặt tinh thể ngoài như thạch anh, nhưng dai hơn nhờ các hạt nhỏ đan nhau.
