Chuẩn tinh thể

1. Một công trình mang nhiều tính phá cách được giải Nobel

Giải Nobel Hoá học năm 2011 được trao cho nhà khoa học người Israel Daniel Shechtman về khám chuẩn tinh thể (quasicrystal).

Đây là một giải Nobel về Hoá nhưng thực ra khó phân biệt là Hoá hay Lý. Điều mà nhiều người tâm đắc với giải Nobel này là những suy nghĩ sáng tạo vượt ra khỏi cách ràng buộc của những lý luận chính thống ở sách giáo khoa từ hàng trăm nay nay. Điều mà nhiều người tâm đắc là có sự viện trợ của toán học giải trí với những hình ảnh lát đá nhà thờ. Và những lý luận có vẻ xa rời thực tế này lại rất gần gũi với đời sống, từ con dao mổ mắt của bác sĩ đến cái chảo rán không dính của bà nội trợ.

2. Điều cấm kỵ trong tinh thể học

Tinh thể học là một môn học sơ sở cho cả Hoá và cả Lý. Mở đầu môn học thường có định nghĩa: Tinh thể là những vật rắn mà các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên chúng sắp xếp có trật tự tuần hoàn trong không gian. Khi giảng bài, các thầy thường nói vui “Phi tuần hoàn bất thành tinh thể”.

Có thể biểu diễn theo hình học trật tự tuần hoàn của tinh thể như một mạng lưới không gian đều đặn, cả mạng lưới xem như từ một ô cơ bản hình hộp (không nhất thiết là có góc vuông) có ba cạnh là ba véc tơ a, véc tơ b, véc tơ c rồi tịnh tiến ô cơ bản dọc theo các cạnh với các chu kỳ a, b, c.

Theo định nghĩa đối xứng tinh thể quanh một trục với góc quay nào đó mà tinh thể trùng với chính nó thì góc quay đó là một phép đối xứng. Trục quay gọi là trục đối xứng còn góc quay thường biểu diễn ra là bao nhiêu phần của 360 ⁰tức là 360 ⁰/n và gọi là trục đối xứng bậc n. Điều lý thú là ở bất cứ sách giáo khoa về tinh thể học nào cũng có chứng minh rất chặt chẽ là tinh thể chỉ có thể có các trục đối xứng bậc 1, bậc 2, bậc 3, bậc 4 và bậc 6 (quay 360 ⁰, 180 ⁰, 120 ⁰, 90 ⁰và 60 ⁰).

Người ta nói rằng phép đối xứng tịnh tiến hạn chế phép đối xứng quay.

Như vậy tinh thể không thể các các trục đối xứng nào ngoài 5 trục kể trên, thí dụ bậc 5, bậc 7 v.v…. Đó là các trục quay bị cấm.

3. Phương pháp nhiễu xạ cho phép “thấy” được đối xứng tinh thể

Các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên tinh thể quá nhỏ lại nằm rất gần nhau nên khó có kính hiển vi nào nhìn rõ được. Trong quang học, thí dụ như ở đĩa CD có các đường kẻ nhỏ cách đều nhau cỡ micromet mắt thường không thể nào nhìn thấy được. Nhưng khi chiếu vào đấy tia laze, ta thấy một dãy các chấm đỏ cách nhau đến hàng centimét, cầm thước kẻ đo được. Đó là ảnh nhiễu xạ do các đường kẻ song song trên đĩa CD có vai trò là một cách tử vạchtạo ra khi có ảnh sáng đơn sắc của laze bước sóng cỡ 0,7 micromet dọi vào. Đối với tinh thể, người ta xem đó là một cách tử không gian, gồm các nguyên tử sắp xếp đều đặn như những nút của mạng lưới. Do đó khi chiếu vào tinh thể chùm tia điện tử có bước sóng cỡ phần mười micromet (nhỏ hơn khoảng cách giữa các nút mạng lưới) ta có được ảnh nhiễu xạ của tinh thể.Nhìn ảnh nhiễu xạ của tinh thể dễ dàng biết được một số quy luật sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử, đặc biệt là qua đối xứng của các vết nhiễu xạ biết ngay được đối xứng.

4. Khám phá ra tinh thể có điều cấm kỵ: đối xứng bậc 5

Daniel Schechtman sinh năm 1941 ở Tel Aviv đã là tiến sĩ Khoa học vật liệu ở đại học Technion năm 1972. Trong thời gian từ 1981 đến 1983 ông được cử sang làm việc, thực tập ở Đại học Johns Hopkins ở Mỹ. Ở đây ông nghiên cứu hợp kim nguội nhanh của Al (nhom) và Mg (Mangan) khi làm mẫu mỏng để đưa vào quan sát ở kính hiển vi điện tử ở chế độ nhiễu xạ với mục đích tìm hiểu cách sắp xếp của các nguyên tử trong hợp kim này, ông thu được ảnh nhiễu xạ vừa bình thường vừa kỳ dị (hình 1).

Bình thường là ảnh nhiễu xạ gồm các vết sáng tròn, chúng tỏ mẫu nghiên cứu là tinh thể. Điều kỳ lạ là các vết sáng ở ảnh nhiễu xạ lại phân bố trên một số đường tròn với 10 chấm sáng cân xứng. Phân tích ra là tinh thể đó phải có đối xứng bậc 5, một điều tuyệt đối cấm kỵ đối với tinh thể.

Kiểm tra lại thí nghiệm, ông thấy không có gì sơ xuất, tìm những cách giải thích khác nhau do hiện tượng sóng đôi (twin) trong tinh thể song tất cả đều là gượng ép, chỉ có cách giải thích có đối xứng bậc 5 là thoả đáng.

Trao đổi với các nhà khoa học xung quanh không ai tin Shechtman đúng, người thì khuyên là nên đọc kỹ lại sách giáo khoa, người thì khẳng định không thể nào chấp nhận được, còn người thì chế giễu.

Nhưng đã suy nghĩ hết cách Shechtman quyết định viết bài báo công bố là mình đã tìm ra một loại tinh thể có đối xứng bậc 5 gửi đăng ở Journal of Applied Physics (Tạp chí Vật lý ứng dụng) vào mùa hè 1984. Nhưng toà soạn lập tức từ chối, gửi trả.

Không cam chịu thất bại Shechtman nhờ một nhà vật lý tên tuổi người Mỹ John Caln kiểm tra những kết quả thực nghiệm của mình. Nhà vật lý này lại thận trọng nhờ những nha tinh thể học tên tuổi ở Pháp xem xét thật kỹ. Cuốc cùng tháng 11 năm 1984 công trình của Shechtman được công bố ở Physicscal Review Letter.

Bài báo như là một quả bom nổ giữa các nhà vật lý, các nhà tinh thể học, các nhà hoá học. Câu hỏi lớn đặt ra: chân lý cơ bản là tinh thể có cấu trúc lặp lại tuần hoàn có còn là tuyệt đối đúng không?

5. Hỗ trợ tìm chân lý

Sau khi bài báo của Shechtman được công bố vào tháng 11 năm 1984, ý kiến xuôi chiều ca tụng khám phá mới cũng nhiều mà ý kiến ngược chiều cũng không ít. Lại có những nhà nghiên cứu lục trong ngăn kéo những kết quả nghiên cứu của mình tuyên bố rằng chính họ trước đây cũng đã tìm ra tinh thể có tính đối xứng bậc 5 nhưng đã giải thích sai. Bản thân Shechtman cũng chưa hình dung được cấu trúc của tinh thể nào có đối xứng bậc 5 mà mình tìm ra cụ thể như thế nào. Trong lúc đang hoang mang thì một số nhà khoa học liên hệ đến một bài toán đã ra để thách đố trí tuệ của những nhà toán học là bài toán lát đá hoa từ năm 1960. Nội dung bài toán là làm thế nào để chỉ dùng một số nhất định nhưng không có chỗ lặp lại, không có trật tự tuần hoàn. Rất nhiều đáp án nhưng nói chung là quá rắc rối, có đáp án đưa ra đến 20.000 loại đá.

Cho đến những năm 1970 giáo sư toán học Roger Penrose mới đưa ra được cách mà ai cũng tâm phục khẩu phục. Đáp án đơn giản nhất của Penrose là kiểu dáng đá hoa hình thoi, một béo một gầy. Lát kín cả mặt phẳng có trật tự nhưng không bao giờ lặp lại (hình 2).

Người ta gọi đây là cách khảm đá hoa của Penrose. Về sau mỗi người một cách hiểu sâu thêm về cách khảm đá hoa này. Người ta phát hiện rằng một số nhà thờ Hồi giáo ở Iran, cung điện ở Tây Ba Nha... với những kiểu đá hoa khác cũng có sân lát theo kiểu tương tự như Penrose.

Nhưng nhà tinh thể học Alan Mackay lại tìm tòi theo kiểu rất tinh thể. Ông lấy các quả cầu tượng trưng cho nguyên tử và sắp vào những chỗ giao nhau ở hình khảm đá hoa của Penrose. Kết quả là ông có được một mô hình sắp xếp nguyên tử trật tự nhưng không tuần hoàn. Và điều kỳ diệu là thực hiện nhiễu xạ đối với mô hình đó, có được ảnh nhiễu xạ rất rõ nét là các chấm tròn có đối xứng bậc 5.

Và chỉ có 5 tuần sau khi Shechtman công bố bài báo nói rằng có thể từ mô hình khảm đá hoa để tạo nên tinh thể nhưng không có tính tuần hoàn gọi là gần như tinh thể tức là chuẩn tinh thể(quasicrystal). Danh từ quasicrystal ra đời từ bài báo in vào dịp Noel 1984 này.

Người ta lại tìm thấy điều kỳ lạ là giữa chuẩn tinh thể và cách khảm đá hoa không tuần hoàn có liên hệ rất đặc biệt: cùng có tỉ lệ vàng.

Tỉ lệ vàng do nhà toán học Italia tên là Fibonacci ở thế kỷ 13 đưa ra từ một giả thiết vui về thỏ đẻ con. Đó là chuỗi mà số sau là tổng của hai số trước: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…. Nếu ở chuỗi Fibonacci ta đem chia số sau cho số trước khi số đã lớn, ta luôn được tỷ số gần với tỉ số vàng. Thí dụ chia 144 cho 89 được 1,612 gần với tỉ số vàng

(hình 3)

Chuỗi Fibonacci được hình thành theo một trật tự toán học nhưng không có trật tự tuần hoàn.

Tương tự ở cách khảm đá Penrose có trật tự toán học nhưng không có trật tự tuần hoàn. Nếu lấy số hình thoi béo rồi chia cho số hình thoi gầy trong phạm vi rộng ta được tỷ lệ vàng.

Tương tự nếu lấy hai loại khoảng cách giữa các nguyên tử trong cấu trúc chuẩn tinh thể chia cho nhau ta cũng được tỉ lệ vàng.

Vậy là cấu trúc, những đặc điểm của chuẩn tinh thể đã được làm rõ.

6. Thay đổi định nghĩa ở sách giáo khoa

Do công trình tìm ra chuẩn tinh thẩ, năm 1992 Liên đoàn quốc tế về tinh thể học đã đưa ra định nghĩa:

“Bất cứ chất rắn nào có ảnh hưởng nhiễu xạ chủ yếu là gián đoạn thì chất đó là tinh thể”.

Trước 1992 định nghĩa tinh thể là: “chất do các nguyên tử, phân tử hay ion tạo thành bằng cách sắp xếp điều hoà có trật tự lặp lại theo cả ba chiều”.

7. Chuẩn tinh thể trong tự nhiên và đời sống

Từ khi Shechtman phát hiện là có chuẩn tinh thể năm 1982, hàng trăm chuẩn tinh thể đã được tổng hợp chế tạo trong phòng thí nghiệm.

Nhưng mãi đến 2009 người ta mới tìm thấy ở một con sông phía đông nước Nga có một loại đá tự nhiên là chuẩn tinh thể. Đá này chứa sắt, nhôm, đồng ảnh nhiễu xạ cho thấy có đối xứng bậc 10 được đặt tên là icosahedrite, xuất phát từ icosahedron là hình 20 mặt đều. Bây giờ thì ai cũng công nhận chuẩn tinh thể là có thật trong tự nhiên cũng như nhân tạo. Chuẩn tinh thể không phải chỉ xuất hiện ở các công trình nghiên cứu, trong lý luận sách vở mà đã lan rộng ra có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và đời sống hàng ngày. Ta xét một vài ví dụ.

Chuẩn tinh thể có mặt trong một loại thép cứng nhất. Một công ty Thuỵ Điển pha trộn các chất nhằm tạo ra thép đặc biệt và đã tìm ra được một loại thép cứng nhất thế giới hiện nay. Phân tích ra thì về cấu trúc thép này có hai pha: một là thép có cấu trúc tinh thể bình thường, bên trong có lốm đốm hạt chuẩn tinh thể này làm nhiệm vụ ngăn cản mọi biến dạng tinh vi (chuyển động lệch mạng) trong thép thường tạo ra loại thép đặc biệt cứng nhưng không giòn. Hiện nay loại thép này được dùng làm lưỡi dao cạo, dao cực nhọn cực nhỏ để mổ mắt, mũi khoan răng v.v…

Chuẩn tinh thể một phần như thuỷ tinh không phải là tinh thể nên rất cứng và trở với hoá chất, một phần như tinh thể nên không giòn, dễ vỡ như thuỷ tinh. Vì vậy người ta dùng chuẩn tinh thể để làm những bề mặt đặc biệt trong nhưng cứng, chịu nóng, ít bị hoá chất ăn mòn. Chảo rán có một lớp chuẩn tinh thể ở trên bề mặt là lý tưởng vì là không dính, chịu được nhiệt độ cao và ít bị cào sước, hơn hẳn chảo rán phủ teflon. Chảo rán nhãn hiệu CRISTOME có phủ bên trên một lớp chuẩn tinh thể dày từ 10 micromet đến 1 milimet, tuỳ loại, lớp phủ này chủ yếu là Al Fe Cu, phun kiểu plasma lên bề mặt. Theo công bố của hãng chế tạo hàng năm dùng đến 500 tấn bột Al Fe Cu để chế tạo gần 10 triệu chảo rán phân phối khắp châu Âu.

Cũng nhờ đặc điểm trơn, chịu nóng, ít bị ăn mòm hoá chất nên xylanh và pittông của nhiều động cơ nổ đặc biệt được phủ lớp chuẩn tinh thể chịu được tốc độ cao, nhiệt độ cao nhiên liệu cháy hết, hiệu suất cao và ít ô nhiễm môi trường. Động cơ tên lửa và các tuabin trong máy móc hàng không cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu chuẩn tinh thể.

Khó kể hết nhiều ứng dụng hiện nay của chuẩn tinh thể. Loại vật liệu đặc biệt này được ứng dụng làm vật liệu chứa hyđro, vật liệu làm pin mặt trời, vật liệu làm tăng hiệu suất của đèn LED, vật liệu chế tạo pin nhiệt điện hiệu suất cao v.v…

Bài học lớn từ giải Nobel năm 2011 trao cho nhà khoa học Daniel Shechtman là những suy nghĩ sáng tạo, thận trọng nhưng tin vào chính mình, không bị quá ràng buộc vào những điều mà mọi người cứ mặc nhiên cho là đúng.