#1 Tinh thể là gì? Tổng quan kiến thức chi tiết

Tinh thể là gì? Luôn là chủ đề được quan tâm của nhiều bạn trẻ và kể cả những người yêu thích khoa học tự nhiên nói chung, ngành hóa học nói riêng. Nếu nhắc đến tinh thể, bạn sẽ thường gặp các câu hỏi: Tinh thể là gì? Làm sao để được tinh thể? Nuôi tinh thể để làm gì? Và vô số vấn đề khác xoay quanh sự hình thành từ chất hóa học được bảo hòa cực kỳ thú vị này.

Tinh thể là gì?

Khái niệm cơ bản về tinh thể là gì?

Tinh thể là gì? Đây là một loại vật liệu có cấu trúc phân tử được sắp xếp theo một mô hình định kỳ và có hình dạng đặc trưng. Tinh thể có thể được tìm thấy trong tự nhiên, chẳng hạn như muối, đá quý, tuyết hay băng, hoặc được tạo ra bởi con người, chẳng hạn như silicon, kim cương nhân tạo hay protein tinh thể.

Tinh thể có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu, điện tử, quang học, sinh học và y học. Tinh thể có thể được sử dụng để lưu trữ, truyền tải và chuyển đổi năng lượng, để phát hiện và phân tích ánh sáng, để cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học, và để tạo ra các tính chất vật lý đặc biệt như siêu dẫn hay từ tính.

Tinh thể được nghiên cứu bởi các nhà khoa học tinh thể học, người sử dụng các phương pháp như kết tinh, phổ hồng ngoại, phổ Raman, phổ X-quang hay vi cơ quang để xác định cấu trúc và tính chất của các tinh thể. Các nhà khoa học tinh thể học cũng nỗ lực để phát triển các kỹ thuật mới để tổng hợp và điều khiển các tinh thể với các đặc điểm mong muốn.

Nói một cách ngắn gọn, tinh thể là gì? Tinh thể được hình thành nhờ vào sự kết tinh.

Quá trình kết tinh 

Quá trình kết tinh là sự kết tinh một cách tự nhiên hoặc nhân tạo của các chất hóa học, các tinh thể rắn được kết tủa từ dung dịch sẽ được hình thành sau quá trình này.

Quá trình kết tinh có thể được hiểu một cách đơn giản là kỹ thuật tách các chất lỏng hóa chất rắn, trong đó quá trình chuyển đổi chất tan trong dung dịch lỏng vào pha rắn sẽ được xảy ra, khi đó tinh thể được hình thành ở dạng tinh sạch nhất.

Để tinh thể hình thành, các chất hóa học tạo nên nó cần trải qua hai giai đoạn quyết định:

1. Giai đoạn hình thành mầm tinh thể (có thể nói, tinh thể có đẹp hay không phụ thuộc vào giai đoạn này).
2. Giai đoạn tiếp theo là tinh thể phát triển (các điều kiện như: không khí, nhiệt độ, chất hóa học, thời gian,.. sẽ quyết định tinh thể phát triển như thế nào và lớn ra sau).

Trong đó giai đoạn hình thành mầm tinh thể là khoảng thời gian các phân tử trong chất tan bắt đầu di chuyển và phân tán trong dung môi rồi bắt đầu tập hợp thành cụm.

Các tính đặc trưng của tinh thể

Tính đa dạng về hình dạng

Có thể bạn đã biết, tinh thể tồn tại với nhiều hình dạng khác nhau bởi các cấu trúc mạng tinh thể đặc trưng và vô cùng phong phú. Dựa vào các quy tắc tính toán của lĩnh vực toán học, ta thấy các dạng điều sở hữu sự đối xứng với nhau.

Những tinh thể với những mạng lưới khác nhau bởi phép đối xứng và cấu tạo nguyên tử của riêng chúng phụ thuộc vào từng phần cấu tạo nên tinh thể. Tất cả đã tạo nên sự đa dạng và hình dạng cấu trúc cực kỳ thú vị của tinh thể.

Màu sắc  

Dựa vào lượng nước mang trong nó (số lượng nguyên tử nước mà chất đó đang ngậm) sẽ tạo nên các màu sắc khác nhau. Đồng thời, mỗi chất, hợp chất hóa học khác nhau cũng có riêng một màu sắc đặc trưng cho chính nó.

Độ cứng

Độ cứng của mỗi tinh thể phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, mà nổi bật là thành phần hóa học cùng vật liệu tạo nên nó. Xét về độ cứng, chúng được đo dựa vào thang đo độ cứng chuẩn khoa học: thang đo độ cứng Morth. Có giới hạn từ 1 đến 10 (tinh thể Muscovite đến kim cương).

Hiệu ứng nhiễu xạ tia tử ngoại và tia X

Với cấu trúc tuần hoàn giúp cho các tinh thể có khả năng tạo hiện tượng cực tiểu và cực đại nhiễu xạ tia X và chùm tia điện tử.

Cấu trúc tinh thể đơn giản

Anion và Cation là hai loại ion mang điện tích trái dấu luôn tồn tại. Chúng tạo nên kết cấu bền vững cho tinh thể dựa vào khả năng hút tĩnh điện.

Bravais – mạng tinh thể

Các mạng tinh thể được phân thành 7 kiểu cơ bản và được gọi là mạng Bravais. Trong mỗi kiểu cơ bản lại tồn tại nhiều kiểu khác nhau:

• Mạng tinh thể Tam nghiêng (ba tà)
• Mạng tinh thể Đơn nghiêng (đơn tà)
• Mạng tinh thể Trực thoi
• Mạng tinh thể Bốn phương
• Mạng tinh thể Ba phương (mặt thoi)
• Mạng tinh thể Lục phương
• Mạng tinh thể Lập phương

Mạng Bravais là tập hợp nhiều điểm được hình thành từ duy nhất một điểm theo các bước rời rạc được xác định bởi các vectơ cơ sở. Trong không gian ba chiều, có đến 14 mạng Bravais tồn tại (nhờ vào các nhóm không gian đặc trưng mà chúng được phân biệt với nhau). 

Cấu trúc tinh thể

Trong các nghiên cứu về khoáng vật học và tinh thể học, một cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp một cách đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể.

Mỗi cấu trúc tinh thể bất kỳ bao gồm: một ô cơ sở và hàng vạn các nguyên tử được sắp xếp theo một cách đặc biệt; vị trí của nó được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều dựa vào mạng Bravais.

Mỗi ô đơn vị có kích thước theo các chiều khác nhau gọi là các thông số mạng (hằng số mạng). Phụ thuộc vào tính chất đối xứng của các ô đơn vị mà loại tinh thể sẽ đó được sắp xếp vào một trong các nhóm không gian xác định riêng biệt.

Bên cạnh đó, sự đối xứng hoàn hảo và cấu trúc của tinh thể đóng vai trò rất quan trọng cho các tính chất điện, tính chất quang học, tính chất liên kết,… của tinh thể.

Tinh thể gồm những loại nào?

Theo các nghiên cứu khoa học, tinh thể được chia thành hai loại chính: 

• Tinh thể tự nhiên.
• Tinh thể do con người tạo nên (nên tạo).

Tinh thể tự nhiên

Tinh thể tự nhiên hầu hết được con người tìm thấy trong những khoáng vật, nhờ vào sự hình thành trong tự nhiên trải qua quá trình hình thành địa chất rất lâu năm, thậm chí có những tinh thể được hình thành với thời gian lên đến vài triệu năm.

Các loại đá Granite từ Orthoclase, Biolite và Thạch anh… là một điển hình cho sự hình thành vượt thời gian này. Tinh thể đóng phần rất quan trọng vào sự hình thành các loại đá nêu trên.

Tinh thể nhân tạo

Tinh thể nhân tạo được hình thành bởi các quy trình nghiên cứu, điều chế và thí nghiệm của con người. Họ sẽ tạo nên những điều kiện phù hợp nhất có thể về áp suất, nhiệt độ, thành phần tạp chất… để thuận tiện cho sự hình thành của tinh thể.

Các ứng dụng của tinh thể vào cuộc sống quanh ta

Rất nhiều các phát minh và hoạt động sản xuất của con người được điều có sự góp mặt quan trọng của tinh thể:

• Là một thiếu sót nếu không kể đến thạch anh dùng làm đồng hồ, một ứng dụng nổi bật của tinh thể.
• Tinh thể ruby được dùng trong các laser hỗ trợ các kỹ thuật quang học.
• Muối ăn (Natri Clorua) trong việc bảo quản thực phẩm.
• Các tinh thể với hình dạng nổi bật, đặc sắc trong các hoạt động kinh doanh khoáng vật.
• Vục phụ niềm đam mê khoa học của mọi người.
• Nuôi tinh thể nhân tạo cũng là một hoạt động nghiên cứu, giải trí và giao lưu về kiến thức khoa học được ưa chuộng của giới trẻ hiện nay.
• Và còn nhiều hữu ích khác xung quanh đời sống của chúng ta.

Nếu bạn là người đam mê việc nghiên cứu, yêu thích khoa học, tìm hiểu kiến thức mới và muốn tận mắt chứng kiến những điều “kỳ diệu”. Chắc chắn tinh thể nhân tạo là lựa chọn tuyệt vời của bạn. Hãy tạo ra những viên đá của riêng mình!