How do crystals work? - Graham Baird

Reviewer: Cao Tú Bùi

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

Sâu dưới mạch phun của hồ nước nóng tại miệng núi lửa Yellowstone

lies a magma chamber produced by a hot spot in the earth’s mantle.

là một buồng magma được hình thành trên điểm nóng của lớp vỏ trái đất.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

Khi bị đẩy lên mặt đất,

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

magma kết tinh thành đá lửa nóng.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

Sức nóng của đá lửa đẩy nước ngầm lên bề mặt.

As the water cools, ions precipitate out as mineral crystals,

Khi nước nguội, ion lắng xuống tạo thành tinh thể khoáng,

including quartz crystals from silicon and oxygen,

như thạch anh được tạo thành từ silic và oxy,

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

tràng thạch từ kali, nhôm, silic và oxy

galena from lead and sulfur.

galen từ chì và lưu huỳnh.

Many of these crystals have signature shapes—

Hầu hết các tinh thể đều có hình dạng đặc trưng,

take this cascade of pointed quartz, or this pile of galena cubes.

như thác thạch anh sắc nhọn, hay khối galena này.

But what causes them to grow into these shapes again and again?

Vậy tại sao cấu trúc tinh thể lại tuần hoàn trong không gian?

Part of the answer lies in their atoms.

Một phần là do nguyên tử.

Trong tinh thể, nguyên tử sắp xếp theo trật tự xác định và tuần hoàn.

Every crystal’s atoms are arranged in a highly organized, repeating pattern.

This pattern is the defining feature of a crystal,

Cấu trúc này tạo nên tính chất đặc trưng của tinh thể,

and isn’t restricted to minerals—

không chỉ đúng với khoáng vật,

sand, ice, sugar, chocolate, ceramics, metals, DNA,

cát, nước đá, đường, sôcôla, gốm sứ, kim loại, DNA,

and even some liquids have crystalline structures.

và thậm chí, một số loại chất lỏng cũng có cấu trúc này.

Each crystalline material’s atomic arrangement

Tùy theo sự sắp xếp trong các ô mạng,

falls into one of six different families:

tinh thể được xếp vào một trong sáu hệ sau:

cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, and hexagonal.

lập phương, tứ phương, trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng và lục phương.

Given the appropriate conditions,

Ở điều kiện thích hợp,

crystals will grow into geometric shapes

tinh thể sẽ phát triển tạo thành các dạng hình học

phản ánh cách sắp xếp nguyên tử bên trong chúng.

that reflect the arrangement of their atoms.

Take galena, which has a cubic structure composed of lead and sulfur atoms.

Lấy galen có cấu trúc lập phương, cấu thành từ chì và lưu huỳnh làm ví dụ.

The relatively large lead atoms

Các nguyên tử chì tương đối lớn

are arranged in a three-dimensional grid 90 degrees from one another,

nằm tại các đỉnh của hình lập phương,

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

các nguyên tử lưu huỳnh tương đối nhỏ, nên nằm vừa khít trong tâm chúng.

As the crystal grows, locations like these attract sulfur atoms,

Khi tinh thể phát triển, những vị trí này thu hút lưu huỳnh đến lấp đầy các lỗ hổng,

while lead will tend to bond to these places.

còn chì lại có xu hướng nằm tại các đỉnh mạng.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

Cuối cùng, chúng sẽ xếp đầy các ô mạng.

This means the 90 degree grid pattern of galena’s crystalline structure

Nghĩa là cấu trúc lập phương của tinh thể galen

is reflected in the visible shape of the crystal.

được phản ánh trong hình dạng tinh thể.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

Trong khi đó, thạch anh có dạng lục phương.

This means that on one plane its atoms are arranged in hexagons.

Nghĩa là trên một lớp, nguyên tử chúng xếp theo hình lục giác.

In three dimensions, these hexagons are composed of many interlocking pyramids

Trong không gian, các lục giác này gồm nhiều tứ diện lồng ghép vào nhau.

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

Mỗi tứ diện gồm một nguyên tử silic liên kết với bốn nguyên tử oxy.

So the signature shape of a quartz crystal

Do đó, thạch anh có dạng

is a six-sided column with pointed tips.

lăng trụ sáu mặt với các đỉnh nhọn.

Depending on environmental conditions,

Tùy vào điều kiện môi trường,

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

hầu hết tinh thể có thể kết tinh tạo thành nhiều dạng hình học khác nhau.

For example, diamonds, which form deep in the Earth’s mantle,

Ví dụ, kim cương hình thành sâu trong lớp vỏ trái đất

have a cubic crystalline structure and can grow into either cubes or octahedrons.

có cấu trúc lập phương,

có thể phát triển thành dạng lập phương hoặc khối bát diện.

Which shape a particular diamond grows into

Hình dạng của kim cương phụ thuộc vào điều kiện kết tinh

depends on the conditions where it grows,

including pressure, temperature, and chemical environment.

như áp suất, nhiệt độ, và môi trường.

While we can’t directly observe growth conditions in the mantle,

Dù không thể quan sát kim cương phát triển tại lớp mantle,

laboratory experiments have shown some evidence

các thí nghiệm cho thấy

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

dạng lập phương hình thành ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn khối bát diện.

and octahedrons at higher temperatures.

Hàm lượng nước, silic, gecmani hoặc magiê

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

might also influence a diamond’s shape.

cũng ảnh hưởng đến dạng kim cương.

And diamonds never naturally grow into the shapes found in jewelry—

Kim cương tự nhiên có hình dạng khác với kim cương trong trang sức,

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

những viên kim cương này đã được cắt giũa để phơi bày sự lấp lánh và tinh khiết.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

Điều kiện môi trường cũng ảnh hưởng đến sự hình thành tinh thể.

Glass is made of melted quartz sand,

Thủy tinh được tạo thành bằng cách nấu chảy cát silic,

but it isn’t crystalline.

nhưng lại không phải là tinh thể.

That’s because glass cools relatively quickly,

Vì thủy tinh nguội tương đối nhanh,

and the atoms do not have time to arrange themselves

nguyên tử không có đủ thời gian để tự sắp xếp lại

into the ordered structure of a quartz crystal.

theo cấu trúc trật tự tuần hoàn của tinh thể thạch anh.

Instead, the random arrangement of the atoms in the melted glass

Nguyên tử bị cố định vị trí trong quá trình làm lạnh.

is locked in upon cooling.

Many crystals don’t form geometric shapes

Nhiều tinh thể không thể phát triển thành dạng hình học của nó

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

do quá gần với các tinh thể khác.

Các loại đá như đá granit,

Rocks like granite are full of crystals,

dù có cấu trúc tinh thể, vẫn không có dạng hình học xác định.

but none have recognizable shapes.

As magma cools and solidifies,

Khi magma nguội và đông lại,

many minerals within it crystallize at the same time and quickly run out of space.

nhiều khoáng chất kết tinh cùng lúc khiến không còn không gian phát triển.

And certain crystals, like turquoise,

Một vài loại tinh thể như ngọc lam,

don’t grow into any discernible geometric shape in most environmental conditions,

trong hầu hết các điều kiện, không tạo thành dạng hình học cụ thể nào,

even given adequate space.

ngay cả khi có đủ không gian phát triển.

Mỗi hệ tinh thể có tính chất đặc trưng,

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

dù không có ý nghĩa trên phương diện tình cảm con người,

and while these properties may not have any bearing on human emotional needs,

they do have powerful applications in materials science and medicine.

các tính chất này lại có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu và y học.