Vật chất trong tự nhiên, do cấu trúc sắp xếp các nguyên tử, phân tử khác nhau, tồn tại với các trạng thái vô cùng đa dạng. Tuy vậy, cho đến nay ta có thể sắp xếp chúng vào các “thể” sau đây: rắn, lỏng, khí và plasma.
Thể rắn gồm 2 loại: tinh thể và vô định hình. Trong các tinh thể nguyên tử, phân tử, ion dao động xung quanh các vị trí cố định, các vị trí này tạo thành mạng lƣới có tính tuần hoàn và đối xứng xác định. Tinh thể silic, là vật liệu chủ
yếu của ngành công nghiệp thông tin hiện nay, để tạo ra các “con chíp” vô cùng kỳ diệu, xử lý đƣợc hàng tỷ phép tính trong 1 giây. Tinh thể dạng lập phƣơng của các nguyên tử than (cacbon) chính là kim cƣơng, nó cứng rắn nhất, trong suốt và ánh sáng đi qua nó chậm nhất nên kim cƣơng (hạt xoàn) gây ra hiệu ứng “ma lực”. Trong các chất rắn vô định hình (nhƣ thủy tinh) các nguyên tử, phân tử, ion tuy cũng dao động quanh các vị trí xác định, nhƣng không có tính tuần hoàn nhƣ tinh thể, tức là có trật tự gần nhƣng không có trật tự xa. Các vật liệu kim loại vô định hình v.v…đều là các vật liệu dùng trong những ngành công nghệ cao hiện đại, kể cả công nghệ nanô.
Thể lỏng đặc trƣng bởi tính lƣu thông của các phân tử. Giống nhƣ trong thể rắn, các phân tử dao động xung quanh một vị trí trung bình, nhƣng chỉ trong một thời gian ngắn. Do tƣơng tác Van der Waals và do va chạm trong chuyển động nhiệt phân tử bứt khỏi vị trí trung bình này để chuyển sang một vị trí mới, và nhƣ vậy phân tử có thể di chuyển lƣu động trong khắp khối chất lỏng.
Nƣớc (H2O) quyết định sự phát sinh và duy trì sự sống trên Trái đất. Nƣớc lỏng cũng sẽ là vật liệu quyết định công nghệ nanô ƣớt (wet nanotechnology) trong thế kỷ này. Hàng vạn chất lỏng với nhiều tính năng kỳ diệu (tinh thể lỏng, chất lỏng lƣợng tử v.v…) đang góp phần duy trì sự sống và nền văn minh.
Trong điều kiện thông thƣờng các chất ở dạng lỏng thì rất nhiều, nhƣng các nguyên tố ở dạng lỏng chỉ có thủy ngân và brom.
Trong thể khí các phân tử có nhiều chuyển động hỗn loạn và càng mạnh nếu nhiệt độ càng cao. Chuyển động nhiệt của các phân tử gây nên áp suất tác động lên thành bình. Việc nghiên cứu động học các chất khí đã dẫn đến sự phát hiện phân tử, nguyên tử. Không khí là một hỗn hợp khí đảm bảo cho sự sống và phát triển công nghệ. Khí đốt là nguồn năng lƣợng rất quan trọng hiện nay. Pin
nhiên liệu dùng khí H2 có triển vọng rất lớn để giải quyết vấn đề giao thông không gây ô nhiễm.
Thể plasma giống nhƣ thể khí, nhƣng đƣợc tạo thành không phải các phân tử trung hòa, mà là các ion và điện tử, ví dụ nhƣ trong các đèn ống, trong các tia lửa điện hàn, trong các ngọn lửa hàn nhiệt độ cao (hàng vạn độ) phát ra từ các máy plasmatron v.v…Tầng điện ly của khí quyển Trái đất, lớp nhật hoa của Mặt trời đều thuộc thể plasma. Tƣơng lai có thể giải quyết vấn đề năng lƣợng sạch và rẻ tiền bằng phản ứng nhiệt hạch trong plasma nóng (hàng chục triệu đô) của các ion từ nguyên tử đơtơri (1
2
H) và (1 3
H).
Gần đây còn phát hiện ra trong phòng thí nghiệm trạng thái thứ năm của vật chất gọi là chất ngƣng tụ Bôzơ – Anhxtanh (BEC). Đó là một tập hợp các nguyên tử (Na, Rb…) ở nhiệt độ gần với 0 độ tuyệt đối. Chúng có nhiều tính chất kỳ lạ: cả hệ có hành vi nhƣ một nguyên tử, có tính năng nhƣ một hốc đen của vũ trụ. Chất BEC đang hứa hẹn rất nhiều ứng dụng kỳ lạ mới.
Các chất có thể tồn tại ở thể rắn, lỏng và hơi tùy theo nhiệt độ. Một chất xác định tồn tại ở thể rắn trong khoảng nhiệt độ thấp nhất, ở thể lỏng trong khoảng nhiệt độ cao hơn và ở thể khí trong khoảng nhiệt độ cao nhất mà quá khoảng đó chúng sẽ bị phá hủy. Ví dụ nƣớc (H2O) ở thể rắn (nƣớc đá) trong khoảng nhiệt độ dƣới 0oC, ở thể lỏng trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến 1000
C, thành hơi nƣớc trên 1000C. Cũng có rất nhiều chất chuyển thẳng từ rắn thành hơi, gọi là thăng hoa. Sự chuyển từ thể này sang thể khác, tức thay đổi đột ngột trạng thái cấu trúc, thƣờng đƣợc gọi là chuyển pha. Các quá trình chuyển pha này thƣờng kèm theo ẩm nhiệt và gọi là chuyển pha loại Ι, còn các loại chuyển pha không kèm theo ẩm nhiệt nhƣng có sự thay đổi đột ngột một số tính chất thì gọi là quá trình chuyển pha loại II. Ví dụ sắt (Fe) có từ tính mạnh nhiệt độ thấp
hơn 7700C, trên nhiệt độ này tuy vẫn ở thể rắn nhƣng sắt mất tính sắt từ. Nhƣ vậy ở 7700C đã xảy ra quá trình chuyển pha loại II.
Những quy luật chuyển pha liên quan với các dạng tƣơng tác giữa các phân tử và có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo các hạt nanô, linh kiện nonô và cấu trúc nanô.
Hình 2.5: Các dạng thù hình của Cacbon
Một số nguyên tố mặc dầu ở trong một thể rắn lại có thể có vài dạng cấu trúc khác nhau, đƣợc gọi là các dạng thù hình của nhau. Điển hình là cacbon, mặc dầu cùng ở trong thể rắn cacbon có dạng thù hình: than vô định hình, kim cƣơng, than chì graphit, sợi cacbon, fuloren và ống nanôcacbon.