Lần đầu tiên biết được sự sắp xếp bí ẩn của các tinh thể

Bằng cách sử dụng kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng lực sắp xếp tinh thể là lực Van der Waals. Đây là một loại lực phân tử sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử thành các lưỡng cực điện, nguyên nhân là do sự thăng giáng trong phân bố điện tích trong các điện tử.

Lực này là điểm thu hút lượng tử và nó không phụ thuộc vào bất kỳ liên kết hóa học nào (như các liên kết cộng hóa trị giữ các phân tử gần lại với nhau).

Các tinh thể nằm trong số những cấu trúc hấp dẫn nhất trong thế giới tự nhiên. Bởi vì chúng là những cấu trúc lưới duy nhất, được sắp xếp một cách chặt chẽ và có sự lặp lại một cách hoàn hảo. Khi được đặt cạnh nhau, các tinh thể nhỏ sẽ gắn vào nhau để hình thành tinh thể lớn hơn. Và lần đầu tiên, các nhà khoa học đã hình dung và đo được các lực tạo ra tất cả những điều này.

Đây cũng là lực cho phép bàn chân của thằn lằn bám dính vào tường và trần nhà. Hiện tại các nhà khoa học đã chỉ ra rằng nó cũng hiệu quả trong việc kết hợp các tinh thể lại với nhau và cho phép chúng càng lúc càng có kích thước lớn hơn.

Cách sắp xếp của các tinh thể rất bí ẩn. (Ảnh: Pixabay).

Mặc dù nhiều cấu trúc tinh thể có hình dạng như hình khối, nhưng chúng thường có nhiều cạnh khác nhau, một số ăn khớp với nhau, một số thì không. Khi các cạnh ăn khớp, tinh thể có thể kết hợp với nhau một cách liền mạch. Từ lâu người ta đã nghi ngờ rằng, các tinh thể có thể tự sắp xếp, nhưng không ai có thể hình dung hay đo được chính xác điều này đã xảy ra như thế nào?

Biết được các lực hoạt động như thế nào rất quan trọng, bởi vì lực hấp dẫn này là chìa khóa giúp tinh thể tự lắp ráp trong tự nhiên để tạo thành mọi thứ từ đá, vỏ sò đến xương của con người. Điều này cũng rất cần thiết để các nhà khoa học thiết kế vật liệu mới từ các tinh thể.

Kevin Rosso - nhà nghiên cứu hàng đầu, thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Pacific nói: "Thật là thú vị khi từ những phép đo này, chúng ta có thể xây dựng các mô hình lắp ráp dạng 3D với các hạt gắn với nhau như xếp gạch Lego. Tinh thể có ở khắp mọi nơi trong tự nhiên, và công việc này sẽ giúp chúng ta tận dụng được những sức mạnh này khi thiết kế các vật liệu mới".

Để nghiên cứu lực đẩy các tinh thể trong đường thẳng, các nhà nghiên cứu đã kết hợp kính hiển vi điện tử truyền dẫn môi trường (ETEM) với công nghệ được gọi là "máy dò hạt nano". Những thiết bị này cho phép quan sát tinh thể tương tác trong thời gian thực.

Các nhà nghiên cứu đã lấy hai tinh thể oxit titan nhỏ gấp 1.000 lần so với sợi tóc, xếp lại và xoắn chúng ở các góc độ khác nhau. Sau đó họ theo dõi sự kết hợp của chúng dưới kính hiển vi.

Nhóm nghiên cứu so sánh những gì họ thấy với hai nam châm và di chuyển chúng về phía nhau nhưng với một quy mô nhỏ hơn nhiều. Khi nam châm đủ gần thì lực hấp dẫn không thể giữ hai tinh thể lại bên nhau và chúng sẽ tách ra. Việc cố gắng tách các tinh thể ra nhằm để đo các lực đã mất.

Những phép đo này giúp các nhà nghiên cứu xác định được các lực kết hợp các tinh thể lại với nhau. Các lực này được cho là lực hút xuống và Van der Waals. Lực Van der Waals là lực yếu nhất trong các lực hóa học vật lý yếu. Nó cũng là kết quả của sự hấp dẫn cơ học lượng tử giữa các hạt chứ không phải là sự thu hút điện hóa học thường xuyên giữa hạt dương và âm.

Mặc dù nhiều cấu trúc tinh thể có hình dạng như hình khối, nhưng chúng thường có nhiều cạnh khác nhau.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu vấn đề này khá kỹ, mặc dù họ phải thực hiện công việc dựa trên cơ chế khoa học kỳ lạ của cơ học lượng tử (như Neils Bohr đã từng nói: "Bất kì ai mà chưa bị sốc bởi lý thuyết lượng tử vẫn chưa thể hiểu rõ về nó").

Khám phá mới này lần đầu tiên khẳng định dự đoán về lực van der Waals được phát hiện vào những năm 70. Rosso nói: "Đây là những phép đo đầu tiên và là bằng chứng cho thấy lực này phụ thuộc vào việc các tinh thể được liên kết với nhau như thế nào. Chúng được gọi là sự phụ thuộc quay vòng".

"Nếu lực phụ thuộc vào các vòng quay, nó sẽ góp phần định hướng khả năng kết hợp tự do của các tinh thể trong môi trường nước, ví dụ như làm tăng tỷ lệ thành công của sự kết hợp", Rosso cho biết thêm.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đã biết về lý do tạo ra sự kết hợp của các tinh thể oxit titan này lại với nhau. Nó cũng cho phép các nhà nghiên cứu dựa vào đây để chế tạo ra các vật liệu khác nhau, chẳng hạn như canxi cacbonat có trong tinh thể vỏ sò. Nó cũng có thể giúp giới khoa học xây dựng các vật liệu tinh thể mới trong tương lai và điều này rất hữu ích cho công nghệ mới

Toàn bộ nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science.