Mạng tinh thể khác vật liệu vô định hình ở đâu?

• Tinh thể: nguyên tử thẳng hàng đều
• Vô định hình: nguyên tử lệch vị trí

Bạn sẽ học được gì

• Mô tả mạng tinh thể và trật tự xa là gì.
• Nêu điều làm vật liệu vô định hình khác tinh thể.
• Kể ra hai tính chất của silicon đổi khi mạng mất trật tự.

Cần biết trước

Chỉ cần biết vật chất gồm nguyên tử. Không cần công thức.

Mạng tinh thể là gì?

Mạng tinh thể là cách các nguyên tử xếp theo một hình mẫu lặp lại đều đặn. Một bài đăng trên National Science Review viết rằng vật liệu tinh thể có cấu trúc trật tự xa, tức các điểm mạng sắp xếp tuần hoàn. Vì vậy chúng còn được gọi là vật liệu có trật tự.

Silicon là ví dụ quen thuộc. Bài giảng của Đại học Harvey Mudd ghi rằng mạng tinh thể của silicon có dạng tứ diện.

• Một ô lặp được đánh dấu
• Các nguyên tử trong mạng
• Trật tự kéo dài ra xa theo một hướng

Vật liệu vô định hình khác ở đâu?

Chúng mất trật tự khi nhìn trên khoảng cách dài. Bài trên National Science Review gọi vật liệu vô định hình là vật liệu mất trật tự, và nêu ví dụ gồm gel, carbon và silicon vô định hình, vật rắn nhiều khuyết tật, và thủy tinh tôi từ trạng thái nóng chảy.

Với silicon, trang của MIT nói rõ điểm khác: silicon vô định hình gồm cùng loại nguyên tử silicon với cùng cách phối vị bốn như silicon tinh thể. Mạng liên kết của nó thì bị mất trật tự, và điều đó làm cấu trúc điện tử rất khác.

Một bức tường gạch xếp ngay ngắn và một đống gạch đổ cùng gồm những viên gạch giống nhau. Chỉ có cách xếp là khác.

• Mạng liên kết đều, ô vuông ngay ngắn
• Mạng liên kết lệch, ô méo

Sự khác nhau làm đổi tính chất ra sao?

Bài trên National Science Review so sánh hai nhóm vật liệu. Bài nêu các ưu điểm có thể khai thác ở vật liệu vô định hình, như tính chất quang học, khả năng điều chỉnh thành phần và tạo hình; đó không phải bảo đảm rằng mọi vật liệu vô định hình đều tốt hơn mọi tinh thể. Nhưng đặc biệt các thủy tinh tôi nóng chảy giòn hơn, yếu hơn về cơ học và mềm hơn vật liệu tinh thể tương ứng. Nhược điểm này bắt nguồn từ mật độ sắp xếp nguyên tử thấp hơn.

Ở silicon, trang của MIT cho thấy hai tính chất bị đảo. Trong so sánh pin mặt trời này, silicon tinh thể hấp thụ ánh sáng yếu hơn silicon vô định hình nhưng vận chuyển hạt tải điện tốt hơn. Sự mất trật tự trong silicon vô định hình đảo ngược các tính chất này. Nó hấp thụ ánh sáng mạnh nên cho phép làm pin mặt trời rất mỏng, nhưng hiệu suất thấp hơn silicon tinh thể, nên pin phải lớn hơn để cho cùng công suất.

• Silicon tinh thể: hấp thụ ánh sáng ít
• Silicon tinh thể: dẫn hạt tải tốt
• Silicon vô định hình: hấp thụ ánh sáng nhiều
• Silicon vô định hình: dẫn hạt tải kém hơn

Ví dụ trong đời sống

Hãy so sánh một hộp trứng với một túi trứng đổ ra bàn. Trứng trong hộp nằm đúng ô, hàng nào ra hàng nấy. Trứng đổ ra bàn nằm tùy ý. Cả hai cùng có những quả trứng như nhau, nhưng bạn xếp và lấy chúng theo cách rất khác.

Thử tự hỏi: nếu thêm một quả trứng vào túi, bạn có đoán được nó nằm đâu không? Với hộp trứng thì được, với túi thì không. Đó là ý của trật tự xa.

Hiểu lầm thường gặp

Vô định hình mô tả cách sắp xếp, không xác định nguyên tố. Silicon vô định hình vẫn gồm nguyên tử silicon; điều đó không có nghĩa mọi vật liệu vô định hình đều có cùng thành phần.

Vô định hình không có nghĩa là hỏng. Silicon vô định hình hấp thụ ánh sáng mạnh trong so sánh pin mặt trời đã nêu.

Vô định hình không đồng nghĩa với thủy tinh. Bài trên National Science Review nêu rằng thủy tinh tôi nóng chảy là một dạng vô định hình, còn mọi vật vô định hình thì chưa chắc là thủy tinh.

Câu hỏi thường gặp

Silicon vô định hình có phải một nguyên tố khác không?

Không. Nó gồm cùng loại nguyên tử silicon với cùng cách phối vị bốn, chỉ khác ở mạng liên kết bị mất trật tự.

Vì sao pin silicon vô định hình có thể mỏng?

Vì silicon vô định hình hấp thụ ánh sáng mạnh, nên cho phép làm pin mặt trời rất mỏng.

Vật liệu vô định hình có yếu hơn tinh thể không?

Theo bài trên National Science Review, đặc biệt các thủy tinh tôi nóng chảy giòn hơn, yếu hơn về cơ học và mềm hơn vật liệu tinh thể tương ứng.

Tóm tắt

• Tinh thể có trật tự xa, các điểm mạng lặp đều đặn.
• Vật liệu vô định hình mất trật tự dù có thể gồm cùng loại nguyên tử.
• Mất trật tự đảo ngược khả năng hấp thụ ánh sáng và dẫn hạt tải của silicon.