Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 1 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Nghiên cứu về Khoa học vật liệu và Công nghệ vật liệu đòi hỏi một nền tảng vững chắc về các khái niệm cơ bản cấu thành vật chất. Chương này tập trung vào việc giới thiệu những định nghĩa cốt lõi, từ đơn vị cơ bản nhất là nguyên tử đến các dạng tồn tại khác nhau của chất hóa học và các trạng thái vật chất. Việc thấu hiểu cấu trúc nguyên tử, các thành phần cấu tạo nên chất hóa học cùng với sự phân biệt giữa trạng thái rắn, lỏng, và khí là nền tảng thiết yếu. Đặc biệt, việc làm rõ khái niệm về chất rắn tinh thể và các đặc trưng của chúng là bước đầu tiên quan trọng để hiểu được hành vi và tính chất của các vật liệu trong ứng dụng thực tiễn.

Sinh viên các ngành Khoa học vật liệu, Hóa học, Vật lý, Kỹ thuật và những người quan tâm đến kiến thức nền tảng về cấu trúc, trạng thái của vật chất.

Chương 1 đặt nền tảng cho việc nghiên cứu vật liệu bằng cách trình bày các khái niệm cơ bản về cấu trúc và trạng thái của vật chất. Nội dung bắt đầu với nguyên tử, giải thích về hạt nhân (chứa proton và neutron) và electron, cùng đặc tính trung hòa điện của nó. Tiếp theo, tài liệu định nghĩa chất hóa học là tập hợp các nguyên tử liên kết tạo thành phân tử, có hóa tính và lý tính riêng, được đặc trưng bởi sự đồng nhất toàn khối và thành phần cố định. Phần trọng tâm của chương là phân tích các trạng thái tồn tại của vật chất: khí, lỏng và rắn, đồng thời làm rõ quá trình chuyển pha khi nhiệt độ và năng lượng dao động của các phần tử thay đổi. Trạng thái khí được mô tả với các phần tử liên kết yếu, chuyển động tự do, bao gồm cả khí lý tưởng (không tương tác, tuân theo PV=nRT) và khí thực (có tương tác). Trạng thái lỏng có liên kết bền hơn khí nhưng đủ linh hoạt để biến dạng và lấy hình dạng vật chứa. Ngược lại, trạng thái rắn nổi bật với liên kết rất chặt chẽ, tạo nên cấu trúc có hình dạng xác định. Đặc biệt, khái niệm chất rắn tinh thể được giới thiệu chi tiết, nhấn mạnh sự phân bố có trật tự, đối xứng và tuần hoàn của các phần tử cấu tạo trong không gian (trật tự xa), cùng với nhiệt độ nóng chảy đặc trưng. Việc nắm vững những khái niệm cơ bản này là thiết yếu để hiểu bản chất của vật liệu, dự đoán hành vi của chúng và là cơ sở cho các ứng dụng trong Khoa học vật liệu và Công nghệ vật liệu.