Thạch anh là khoáng vật silic đioxit (SiO2), một trong những khoáng vật phổ biến nhất trên vỏ Trái Đất, chỉ đứng sau nhóm fenspat. Cát trắng ở nhiều bãi biển, hạt sáng lấp lánh trong đá granit, lớp đá mã não, thạch anh tím trong hốc đá đều là thạch anh hoặc các dạng của nó. Thạch anh cứng (7 trên thang Mohs), gần như không tan trong nước, không có mặt cát khai, nên bền bỉ sống sót khi núi bị bào mòn thành cát.
Cũng chính khoáng vật bình thường này nằm trong chiếc đồng hồ đeo tay, điện thoại và máy tính, nhờ một tính chất đặc biệt: bị ép thì sinh ra điện, có điện thì rung lên với tần số rất ổn định. Bài viết giải thích cấu tạo thạch anh, các loại thạch anh theo màu và kích thước tinh thể, và câu chuyện từ phòng thí nghiệm của anh em nhà Curie tới con số 32.768 trong đồng hồ quartz.
Cấu tạo: bộ khung tứ diện silic và oxy
Đơn vị cơ bản của thạch anh là một tứ diện: một nguyên tử silic ở giữa, bốn nguyên tử oxy ở bốn đỉnh. Mỗi nguyên tử oxy lại được chia sẻ giữa hai tứ diện liền kề, nên cả tinh thể là một bộ khung ba chiều liền mạch. Tỉ lệ vì thế là một silic với hai oxy, đúng công thức SiO2.
Các tứ diện xếp thành chuỗi xoắn ốc chạy dọc trục tinh thể. Xoắn có thể theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, nên có thạch anh "tay trái" và "tay phải", giống hai bàn tay soi gương. Cấu trúc này giải thích vì sao tinh thể thạch anh thường mọc thành lăng trụ sáu cạnh với đầu nhọn hình chóp, hình ảnh quen thuộc trong các bộ sưu tập khoáng vật.
Liên kết silic–oxy rất bền, khắp mọi hướng, không có mặt phẳng yếu, nên thạch anh vỡ theo mặt cong như vỏ sò (gọi là vết vỡ vỏ sò) chứ không tách phẳng như mica. Đây cũng là lý do người tiền sử chọn đá lửa và các dạng thạch anh vi tinh thể để ghè thành dao, mũi tên: mép vỡ rất sắc.
Các loại thạch anh: theo kích thước tinh thể và nguyên nhân màu
Thạch anh chia làm hai nhóm lớn: tinh thể nhìn thấy được bằng mắt (thạch anh tinh thể lớn) và tinh thể quá nhỏ, chỉ thấy dưới kính hiển vi (thạch anh vi tinh thể). Màu sắc đến từ tạp chất, tâm màu hoặc bao thể bên trong.
| Loại | Nhóm | Màu | Nguyên nhân màu theo giải thích phổ biến |
|---|---|---|---|
| Thạch anh trong (pha lê đá) | Tinh thể lớn | Không màu | Gần như tinh khiết |
| Thạch anh tím (amethyst) | Tinh thể lớn | Tím | Sắt lẫn vào cộng bức xạ tự nhiên tạo tâm màu |
| Thạch anh khói | Tinh thể lớn | Xám nâu đến đen | Nhôm lẫn vào cộng bức xạ tự nhiên |
| Thạch anh vàng (citrine) | Tinh thể lớn | Vàng, cam | Sắt; phần lớn hàng thị trường là thạch anh tím đã nung |
| Thạch anh hồng | Tinh thể lớn | Hồng nhạt | Nhiều mẫu do sợi khoáng vật siêu nhỏ bên trong |
| Chalcedony, mã não, onyx | Vi tinh thể | Nhiều màu, có thể phân lớp | Tạp chất sắt, mangan và cấu trúc lớp |
| Jasper, đá lửa | Vi tinh thể | Đỏ, nâu, xám | Lẫn nhiều khoáng vật khác, đục |
Thạch anh tím phơi nắng gắt lâu ngày có thể nhạt màu, vì ánh sáng và nhiệt xoá dần tâm màu. Điều này cho thấy màu ở đây là một trạng thái "kích thích" của mạng tinh thể, không phải chất màu cố định.
Vì sao cát biển phần lớn là thạch anh
Đá granit, loại đá tạo nên nhiều dãy núi, gồm chủ yếu fenspat, thạch anh và mica. Khi mưa, nắng, gió bào mòn núi qua hàng triệu năm, fenspat dần biến thành khoáng sét, mica tách thành vảy mỏng và bị nước cuốn đi. Thạch anh thì cứng, trơ hoá học, không có mặt cát khai, nên ở lại dưới dạng hạt. Dòng sông mang các hạt này ra biển, sóng tiếp tục mài tròn chúng.
Kết quả là nhiều bãi cát trên thế giới, nhất là cát màu trắng hoặc vàng nhạt, chứa tỉ lệ thạch anh rất cao. Ở Việt Nam, một số vùng cát trắng ven biển miền Trung được biết đến là nguồn cát thạch anh dùng cho công nghiệp thuỷ tinh. Không phải bãi biển nào cũng vậy: cát đen ở một số nơi chứa nhiều khoáng vật nặng như ilmenit, magnetit; cát hồng ở vài đảo nhiệt đới chứa mảnh vỏ sinh vật biển.
Hạt cát thạch anh vì thế mang trong nó câu chuyện của cả một ngọn núi: là phần cứng đầu nhất còn sót lại sau khi mọi thứ khác bị phong hoá. Các nhà địa chất còn đọc hình dạng bề mặt hạt thạch anh dưới kính hiển vi để biết nó từng được gió hay nước vận chuyển.
Thạch anh hình thành ở đâu trong lòng đất
Thạch anh kết tinh trong nhiều môi trường khác nhau. Khi khối magma giàu silic nguội dần thành đá granit, thạch anh thường là khoáng vật kết tinh sau cùng, lấp vào khoảng trống giữa các tinh thể fenspat và mica, nên trong granit nó hay có dạng hạt méo, không thành hình lăng trụ đẹp.
Những tinh thể đẹp nhất mọc trong các khe nứt và hốc rỗng, nơi nước nóng giàu silic hoà tan len lỏi qua. Khi nước nguội đi hoặc áp suất giảm, silic kết tủa thành tinh thể mọc tự do vào khoảng trống. Các mạch thạch anh trắng cắt ngang vách đá mà người đi rừng hay gặp hình thành theo cách này; nhiều mạch quặng vàng trên thế giới cũng nằm trong mạch thạch anh như vậy. Hốc thạch anh tím khổng lồ ở Nam Mỹ hình thành trong các lỗ khí của dung nham bazan cổ.
Một chi tiết thú vị cho nhà địa chất: thạch anh có hai dạng cấu trúc, chuyển đổi qua lại ở khoảng 573°C dưới áp suất thường. Dạng hình thành ở nhiệt độ cao để lại dấu vết hình dạng tinh thể khác với dạng nhiệt độ thấp, nên quan sát kỹ có thể đoán được tinh thể từng hình thành nóng hay nguội. Chính điểm chuyển này cũng là lý do thạch anh tự nhiên dễ nứt khi bị nung nóng quá mức rồi làm nguội.
Hiệu ứng áp điện: từ phòng thí nghiệm nhà Curie tới đồng hồ đeo tay
Câu chuyện thạch anh trong điện tử diễn ra qua nhiều mốc khoa học có thật:
- Năm 1880, phát hiện. Hai anh em Pierre và Jacques Curie ở Pháp chứng minh rằng khi ép một số tinh thể, trong đó có thạch anh, hai mặt tinh thể xuất hiện điện tích trái dấu. Hiện tượng gọi là áp điện.
- Hiệu ứng ngược. Ngay sau đó, các nhà vật lý suy ra và anh em Curie xác nhận chiều ngược lại: đặt điện áp vào tinh thể thì nó co giãn rất nhẹ.
- Năm 1921, bộ dao động thạch anh. Nhà vật lý Mỹ Walter Cady tạo được mạch điện dùng tinh thể thạch anh để giữ tần số ổn định, ứng dụng sớm trong vô tuyến.
- Năm 1927, đồng hồ thạch anh đầu tiên. Warren Marrison và J. W. Horton ở Phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) chế tạo đồng hồ dựa trên dao động thạch anh; cỗ máy to cỡ một tủ lớn.
- Năm 1969, đồng hồ đeo tay quartz. Seiko (Nhật Bản) bán ra mẫu đồng hồ đeo tay quartz đầu tiên. Trong thập niên sau đó, đồng hồ quartz rẻ và chính xác thay đổi cả ngành đồng hồ thế giới.
Ngày nay tinh thể thạch anh dao động có mặt trong hầu hết thiết bị điện tử cần đếm thời gian hay giữ tần số: máy tính, điện thoại, bộ phát sóng, đồ chơi điện tử.
Con số 32.768: vì sao đồng hồ quartz đếm giây chính xác
Bên trong đồng hồ quartz có một miếng thạch anh rất nhỏ, thường cắt hình âm thoa (cái thanh hai nhánh như dụng cụ chỉnh đàn). Mạch điện đặt điện áp vào, tinh thể rung theo hiệu ứng áp điện ngược, và chính sự rung tạo lại điện áp theo hiệu ứng áp điện thuận, duy trì dao động. Kích thước và cách cắt được chọn để nó rung đúng 32.768 lần mỗi giây.
Vì sao lại là 32.768? Vì đó là 2 mũ 15. Mạch điện tử chia đôi tần số rất dễ: chia đôi 15 lần liên tiếp là ra đúng 1 nhịp mỗi giây, đủ để đẩy kim giây hay đổi số trên màn hình. Tần số này cũng đủ cao để vượt ngoài ngưỡng nghe của tai người, và đủ thấp để tinh thể nhỏ, tốn ít điện. Một con số của toán nhị phân, gần họ hàng với 512 (2 mũ 9), lại điều khiển chiếc đồng hồ trên tay.
Độ chính xác của đồng hồ quartz phổ thông thường cỡ vài giây tới khoảng mười mấy giây mỗi tháng, tuỳ chất lượng và nhiệt độ: tinh thể rung nhanh chậm một chút khi nóng lạnh. Đồng hồ cao cấp bù nhiệt bằng mạch điện, còn đồng hồ nguyên tử thì dùng chuẩn hoàn toàn khác, chính xác hơn nhiều bậc.
Thạch anh trong công nghiệp, sức khoẻ và một hiểu nhầm phổ biến
Thạch anh tổng hợp. Phần lớn thạch anh dùng trong điện tử là tinh thể nuôi nhân tạo trong nồi hấp áp suất cao, mô phỏng điều kiện nước nóng trong lòng đất. Tinh thể tổng hợp đồng đều, ít khuyết tật hơn tinh thể tự nhiên.
Từ thạch anh tới chip. Silic dùng làm chip được luyện từ thạch anh độ tinh khiết cao. Thạch anh nấu chảy còn làm kính chịu nhiệt, nồi nấu silic và sợi quang.
Bụi silic và bệnh nghề nghiệp. Hít bụi thạch anh mịn lâu ngày có thể gây bệnh bụi phổi silic, một bệnh nghề nghiệp không hồi phục ở thợ mỏ, thợ đá, thợ cắt mặt đá nhân tạo. Nhiều nước siết quy định về che chắn, phun nước, khẩu trang lọc bụi với nghề cắt đá; người làm nghề nên tuân thủ hướng dẫn an toàn lao động.
"Tinh thể thạch anh phát ra năng lượng chữa lành." Không có bằng chứng khoa học. Hiệu ứng áp điện chỉ xuất hiện khi tinh thể bị ép hoặc được đặt vào mạch điện, sinh ra điện áp rất nhỏ; một viên đá nằm yên trên bàn không tạo ra dòng điện hay "năng lượng" nào ảnh hưởng tới cơ thể. Các thử nghiệm có đối chứng không thấy tác dụng khác giả dược.
Câu hỏi thường gặp
Thạch anh và thuỷ tinh khác nhau thế nào?
Cả hai đều chủ yếu là silic đioxit, nhưng thạch anh là tinh thể: nguyên tử xếp theo trật tự lặp lại. Thuỷ tinh là chất vô định hình, nguyên tử sắp xếp lộn xộn như chất lỏng bị đông cứng. Vì vậy thạch anh có hình dạng tinh thể, có tính áp điện, còn thuỷ tinh thông thường thì không.
Vì sao thạch anh tím phai màu khi để ngoài nắng?
Màu tím do tâm màu, tức các khuyết tật trong mạng tinh thể liên quan tới sắt và bức xạ tự nhiên. Ánh sáng mạnh và nhiệt có thể cung cấp năng lượng để các khuyết tật này "hồi phục", làm màu nhạt đi. Vì thế mẫu thạch anh tím trong bảo tàng thường được trưng bày tránh nắng trực tiếp.
Đồng hồ quartz có cần lên dây cót không?
Không. Đồng hồ quartz dùng pin hoặc tụ điện sạc bằng ánh sáng để cung cấp điện cho mạch và tinh thể. Đồng hồ cơ mới cần lên dây cót hoặc tự lên dây nhờ cử động cổ tay. Hai loại có nguyên lý giữ nhịp hoàn toàn khác nhau.
Thạch anh có phóng xạ không?
Thạch anh tinh khiết không phóng xạ. Màu của thạch anh khói hay thạch anh tím là dấu vết của bức xạ tự nhiên từ đá xung quanh trong lịch sử địa chất, nhưng bản thân viên đá không trở thành nguồn phóng xạ đáng kể.
Mã não có phải thạch anh không?
Có. Mã não là một dạng chalcedony, tức thạch anh vi tinh thể, gồm các sợi tinh thể nhỏ xếp thành dải màu. Thành phần vẫn là silic đioxit, nhưng cấu trúc khác tinh thể thạch anh lớn, nên mã não không có hình lăng trụ sáu cạnh.
Vì sao thạch anh lại "tay trái" và "tay phải"?
Các tứ diện silic–oxy trong thạch anh xếp thành chuỗi xoắn ốc, có thể xoắn theo một trong hai chiều. Hai dạng là ảnh gương của nhau, như hai bàn tay. Chúng có cùng tính chất cơ học, nhưng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng theo hai chiều ngược nhau.