Luận án Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và động học của các vật liệu SiO2 và MgSiO3 lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUYỆN THỊ SAN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUYỆN THỊ SAN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 LỎNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN HỒNG 2. GS. TS. VŨ VĂN HÙNG HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Thay mặt tập thể hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Hồng Nghiên cứu sinh Luyện Thị San LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Hồng và GS. TS. Vũ Văn Hùng, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật và phòng đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 2 tháng 11 năm 2017 Luyện Thị San MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu ............................................................................ 1 Danh mục các bảng biểu .............................................................................................. 2 Danh mục các hình vẽ và đồ thị .................................................................................. 3 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HAI VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 1.1. Tổng quan vật liệu SiO2 ..................................................................................... 11 1.1.1. Cấu trúc .................................................................................................. 11 1.1.2. Hiện tượng đa thù hình ........................................................................... 14 1.1.3. Các hiện tượng động học ........................................................................ 17 1.2. Tổng quan vật liệu MgSiO3 ................................................................................ 22 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.1. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử ................................................... 28 2.2. Xây dựng mô hình động lực học phân tử ........................................................... 31 2.2.1. Thế tương tác ........................................................................................... 31 2.2.2. Mô hình động lực học phân tử ................................................................ 33 2.3. Phân tích cấu trúc ............................................................................................... 35 2.3.1. Hàm phân bố xuyên tâm ......................................................................... 35 2.3.2. Số phối trí và đơn vị phối trí ................................................................... 37 2.3.3. Phân bố góc ............................................................................................. 38 2.3.4. Kỹ thuật trực quan hóa ............................................................................ 39 2.4. Phân tích động học ............................................................................................. 39 CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA SiO2 LỎNG 3.1. Hiện tượng đa thù hình ....................................................................................... 43 3.2. Hiện tượng động học .......................................................................................... 51 3.2.1. Cơ chế khuếch tán ................................................................................... 51 3.2.2. Động học không đồng nhất ..................................................................... 63 CHƯƠNG 4. CẤU TRÚC CỦA MgSiO3 LỎNG 4.1. Cấu trúc địa phương của Si và Mg ..................................................................... 72 4.2. Hiện tượng tách pha vi mô ................................................................................. 79 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 90 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 93 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xuyên tâm VĐH Vô định hình ĐVPT Đơn vị phối trí BO Nguyên tử ôxy cầu NBO Nguyên tử ôxy không cầu BKS Van Beets – Kramer – Van Santen OG Oganov NPT Số hạt, áp suất và nhiệt độ không đổi NVE Số hạt, thể tích và năng lượng không đổi Si Nguyên tử silíc O Nguyên tử ôxy NRM Cộng hưởng từ hạt nhân 2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số thế BKS đối với hệ SiO2 Trang 31 Bảng 2.2 Các thông số thế OG đối với hệ MgSiO3 33 Bảng 3.1 Đặc trưng cấu trúc của SiO2 lỏng ở nhiệt độ và áp suất khác nhau: rlk là vị trí của đỉnh thứ nhất hàm PBXT thành phần, TN: Thực nghiệm, MP: mô phỏng 44 Bảng 3.2 Sự phân bố OSi3 và mối liên kết giữa các ĐVPT SiOx liền kề thông qua các cạnh dùng chung (Ne) và các mặt dùng chung (Nf) trong SiO2 lỏng 47 Bảng 3.3 Tốc độ chuyển đổi giữa các ĐVPT ở nhiệt độ khác nhau. 64 Bảng 4.1 Đặc trưng cấu trúc của MgSiO3 lỏng ở áp suất khác nhau: rlkj là vị trí của đỉnh thứ nhất hàm PBXT thành phần. 73 Bảng 4.2 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO4 ở các áp suất khác nhau. 84 Bảng 4.3 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO5 ở các áp suất khác nhau. 84 Bảng 4.4 Sự phân bố của các BO trong ĐVPT SiO6 ở các áp suất khác nhau. 84 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Minh họa điều kiện biên tuần hoàn. Trang 30 Hình 2.2 Hàm PBXT cho hệ 1 thành phần. 36 Hình 2.3 Hàm PBXT cặp cho hệ hai thành phần. 36 Hình 2.4 Hàm PBXT cặp Si-O trong hệ MgSiO3 lỏng ở T = 3500 K, P = 30 GPa. 37 Hình 2.5 Số lượng chuyển đổi phụ thuộc vào thời gian. 41 Hình 2.6 Minh họa đám hình thành giữa nguyên tử Si và O. Khối cầu màu đen là Si, màu vàng là O. 42 Hình 3.1 Năm ĐVPT cấu thành mạng SiO2 lỏng: SiO4 (a); SiO5 (b); SiO6 (c); OSi2 (d); OSi3 (d). Khối cầu nhỏ là O và khối cầu lớn là Si. 45 Hình 3.2 Sự phân bố tỉ phần ĐVPT SiOx và OSiy ở áp suất khác nhau. 45 Hình 3.3 Phân bố góc Si-O-Si và khoảng cách liên kết O-Si trong các ĐVPT OSi2 và OSi3. 46 Hình 3.4 Liên kết giữa các ĐVPT SiOx và đám được hình thành bởi SiOx (khối cầu lớn là Si và nhỏ là O): Liên kết giữa các ĐVPT SiOx thông qua một BO (a); Liên kết giữa các ĐVPT SiOx thông qua 2 BO (b); OSi3 (c); Đám của SiO4 hình thành pha mật độ thấp (d); Đám của SiO5 và SiO6 hình thành pha mật độ cao (e). 48 Hình 3.5 Sự phân bố các ĐVPT SiOx và OSiy trong SiO2 lỏng (T = 3200 K) ở áp suất 5, 15 và 25 GPa. Khối cầu lớn là Si, khối cầu nhỏ là O. 49 Hình 3.6 Sự phụ thuộc của mật độ vào áp suất trong SiO2 lỏng. 50 Hình 3.7 Độ dịch chuyển bình phương trung bình của các nguyên tử trung tâm với giá trị k khác nhau. 52 Hình 3.8 Sự phụ thuộc của χ vào thời gian mô phỏng. 53 4 Hình 3.9 Độ dịch chuyển bình phương trung bình/1 nguyên tử cho nhóm nguyên tử thứ nhất và thứ hai. 54 Hình 3.10 Số lượng đám tạo bởi các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tử A1, A2 và A3 tại các thời điểm mô phỏng khác nhau. 55 Hình 3.11 Kích thước đám lớn nhất tại các thời điểm mô phỏng khác nhau, P = 0 GPa. 56 Hình 3.12 Độ dịch chuyển bình phương trung bình và số lượng đám tạo bởi nguyên tử nhóm A2 và A3; A2 và A3 được lựa chọn ở thời điểm td = 47.8 ps và áp suất P = 0 GPa. 57 Hình 3.13 Số lượng đám tạo bởi các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tử A1, A4 và A5 tại các thời điểm mô phỏng khác nhau. 59 Hình 3.14 Số lượng chuyển đổi trung bình cho 1 nguyên tử và độ dịch chuyển bình phương trung bình của các nguyên tử nhóm A1, A4 và A5 ở P = 0 GPa. 60 Hình 3.15 Số chuyển đổi trung bình và số phối trí trung bình ZD tại các thời điểm mô phỏng khác nhau; P = 0 GPa, T = 3000 K. 61 Hình 3.16 Minh họa chuyển động của các nguyên tử. Khối cầu màu đen ứng với các đám cứng. Khối cầu đỏ và xanh ứng với các nguyên tử linh động. Khối cầu màu đỏ ứng với các nguyên tử thuộc các siêu phân tử. 63 Hình 3.17 a) Chuyển đổi có ích; b) Chuyển đổi không có. 64 Hình 3.18 Sự phụ thuộc áp suất của hệ số khuếch tán (a) và tốc độ chuyển đổi (b), T = 3000 K. 65 Hình 3.19 Sự phụ thuộc của η = Mbt/Mbo vào số lượng chuyển đổi, T = 3000 K. 66 Hình 3.20 Minh họa quá trình dịch chuyển của các nguyên tử: A) Một nguyên tử dịch chuyển qua khoảng không giữa hai nguyên tử để tới một vị trí mới; B) Sự dịch chuyển của một nhóm nguyên tử. 68 Hình 3.21 Hệ số khuếch tán của Si và O cho các hệ nhiệt độ và áp suất khác nhau. 68 5 Hình 3.22 Sự phụ thuộc của η vào số lượng chuyển đổi trung bình ở nhiệt độ 2600 K và 3000 K. 69 Hình 4.1 Hàm PBXT gSi-O(r), gMg-O(r), gSi-Mg(r), gSi-Si(r), gO-O(r) và gMg- Mg(r) của MgSiO3 ở T = 3000 K và các áp suất khác nhau. 74 Hình 4.2 Cấu trúc mạng của MgSiO3 lỏng ở áp suất 0 GPa (Khối cầu màu đỏ là nguyên tử Mg, khối cầu màu đen là nguyên tử Si và khối cầu màu vàng là O). 75 Hình 4.3 Sự phân bố của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi. 76 Hình 4.4 Phân bố góc O-Si-O của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong MgSiO3 lỏng ở áp suất khác nhau. 77 Hình 4.5 Phân bố khoảng cách liên kết Si-O trong MgSiO3 lỏng ở các áp suất khác nhau. 77 Hình 4.6 Phân bố tỉ phần các ĐVPT MgOx (trái) và số phối trí trung bình của Mg (phải) khi áp suất thay đổi. 78 Hình 4.7 Phân bố các cầu nối OTy (y = 2÷6; T là Si hoặc Mg) khi áp suất thay đổi. 79 Hình 4.8 Phân bố tỉ phần nguyên tử O hình thành các cầu nối trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi. 80 Hình 4.9 Mạng Si-O trong MgSiO3 bị vỡ thành các mạng con, (Khối cầu màu đen là Si, khối cầu màu vàng là O). 81 Hình 4.10 Cầu nối được hình thành do nguyên tử Mg gắn vào mạng Si-O thông qua các BO và NBO. 82 Hình 4.11 Sự phân bố của BO, NBO và ôxy tự do trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi. 83 Hình 4.12 Sự phân bố của O-Six, O-Mgy và Sin-O-Mgm (x, y, n, m = 1 ÷ 6) trong MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi. 83 Hình 4.13 Sự phân bố không gian của các cầu nối O-Six trong MgSiO3 lỏng ở áp suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu đen là Si, màu vàng là O. 86 Hình 4.14 Sự phân bố không gian của các O-Mgy trong MgSiO3 lỏng ở áp suất 0 và 30 GPa. Khối cầu màu vàng là O và màu đỏ là Mg. 86 6 Hình 4.15 Cấu trúc mạng của MgSiO3 lỏng ở 0 GPa và 30 GPa. Đám/chuỗi SiOx ứng với màu đen; Đám/chuỗi MgOy ứng với màu đỏ (Các ĐVPT SiOx ứng với khối cầu màu đen và MgOy ứng với các khối cầu màu đỏ). 87 7 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu phổ biến trong vỏ trái đất, có nhiều ứng dụng công nghệ cao, đồng thời đóng vai trò quan trọng với ngành khoa học trái đất. Chính vì vậy những nghiên cứu về cấu trúc và động học của những vật liệu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về các quá trình xảy ra trong lòng trái đất mà còn giúp chế tạo những vật liệu có tính chất ưu việt. Ở trạng thái lỏng, những vấn đề nghiên cứu liên quan tới cấu trúc, động học, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học của hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 luôn là chủ đề thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Cho đến nay, có rất nhiều các mô hình lý thuyết, các công trình nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã được tiến hành nhằm giải thích các hiện tượng thú vị như đa thù hình, tách pha vi mô, động học không đồng nhất, thuyên giảm động học, khuếch tán dị thường, v.v.. Một số mô hình lý thuyết được đưa ra như: Mô hình 2 trạng thái (two-state model) nhằm giải thích quá trình chuyển từ pha mật độ thấp tới pha mật độ cao khi áp suất thay đổi, lý thuyết Adam-Gibbs với ý tưởng trung tâm là sự tồn tại các vùng tự sắp xếp đã giải thích thành công hiện tượng thuyên giảm động học cho một vài chất lỏng, v.v.. Một số nghiên cứu khác cho rằng các hiện tượng động học có thể được nhận biết chỉ thông qua các biến động học như theo dõi chuyển động của các hạt linh động, các tham số không có dạng phân bố Gauss, phương trình tương quan đa điểm, v.v.. Trong một vài nghiên cứu gần đây, mối liên hệ giữa cấu trúc và động học đã được chỉ ra. Mặc dù hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới tiến hành nghiên cứu hai vật liệu SiO2 và MgSiO3, các kết quả thu được vẫn chưa thống nhất và nhiều vấn đề chưa được làm rõ như: i) Các hiện tượng liên quan tới sự thay đổi cấu trúc do ảnh hưởng của áp suất; ii) Liệu có thực sự tồn tại mô hình hai trạng thái trong những chất lỏng này, cấu trúc của pha mật độ thấp và pha mật độ cao như thế nào; iii) Nguyên nhân dẫn tới hiện tượng động học không đồng nhất hoặc cơ chế khuếch tán trong các chất lỏng có cấu trúc mạng (Network - forming liquid). Từ 8 những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài luận án “Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và động học của các vật liệu SiO2 và MgSiO3 lỏng”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của luận án hướng tới là nâng cao hiểu biết về cấu trúc và động học của các vật liệu lỏng có cấu trúc mạng nói chung. Đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận án là hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 ở trạng thái lỏng. Phạm vi nghiên cứu của luận án chủ yếu là các hiện tượng liên quan tới cấu trúc và động học của hai vật liệu này ở trạng thái lỏng. Cụ thể với vật liệu SiO2: - Xây dựng các mẫu SiO2 lỏng kích thước 1998 nguyên tử với nhiệt độ dao động từ 2600÷3500 K và áp suất từ 0÷30 GPa; Tiến hành khảo sát và giải thích cơ chế của các hiện tượng như: hiện tượng đa thù hình, khuếch tán, động học không đồng nhất. Cụ thể với vật liệu MgSiO3: - Xây dựng các mẫu MgSiO3 với kích thước 5000 nguyên tử, nhiệt độ 3500 K và áp suất dao động từ 0÷30 GPa. Nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc MgSiO3 khi áp suất thay đổi, từ đó làm rõ các đặc trưng cấu trúc. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) để xây dựng các mẫu vật liệu SiO2 và MgSiO3 ở nhiệt độ và áp suất khác nhau. Các hiện tượng liên quan tới cấu trúc và động học được phân tích dựa trên quan điểm xem cấu trúc của vật liệu được hình thành từ các đơn vị phối trí (ĐVPT). Các kỹ thuật phân tích cấu trúc được sử dụng trong luận án như hàm phân bố xuyên tâm (PBXT), khảo sát phân bố góc, khảo sát phân bố khoảng cách, v.v.. Kỹ thuật phân tích động học chủ yếu là khảo sát sự chuyển đổi giữa các ĐVPT, khảo sát quá trình tạo đám của những nguyên tử có tính chất đặc biệt, v.v.. Kỹ thuật trực quan hóa các dữ liệu mô phỏng cũng được sử dụng nhằm đưa ra những hình ảnh trực quan về sự sắp xếp của các nguyên tử, ĐVPT, v.v. trong không gian. 9 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Những kết quả mà luận án thu được đã góp phần làm rõ bức tranh về cấu trúc và động học của các chất lỏng mà cấu trúc của chúng bao gồm những ĐVPT liên kết với nhau trong không gian, hay còn được gọi là những chất lỏng có cấu trúc mạng. Nhóm vật liệu được nghiên cứu trong luận án gồm SiO2 và MgSiO3 đều là những vật liệu chủ yếu trong vỏ trái đất. Chính vì vậy, những nghiên cứu về hai vật liệu này trong dải nhiệt độ và áp suất cao sẽ có ý nghĩa thiết thực với ngành khoa học trái đất, cho phép các nhà khoa học dự đoán các quá trình địa chất. 5. Những đóng góp mới của luận án - Chỉ ra cấu trúc mạng của SiO2 lỏng được hình thành từ 5 ĐVPT và chia thành hai pha: mật độ thấp và mật độ cao. Pha mật độ thấp gồm các ĐVPT SiO4 liên kết với nhau thông qua OSi2. Pha mật độ cao gồm các ĐVPT SiO5, SiO6 liên kết với nhau thông qua OSi3. Cấu trúc không đồng nhất là nguyên nhân dẫn tới hiện tượng các chuyển đổi phân bố không đồng nhất trong không gian cũng như hiện tượng động học không đồng nhất. - Chứng minh khuếch tán không đơn giản là quá trình chuyển đổi giữa các ĐVPT. Chuyển đổi có ích giữa các ĐVPT mới là yếu tố quan trọng dẫn tới khuếch tán. Chuyển động tương quan liên quan tới sự dịch chuyển của một nhóm các nguyên tử là nguyên nhân gây ra hiện tượng khuếch tán dị thường và thuyên giảm động học trong vật liệu SiO2 lỏng. - Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường địa phương của Si trong vật liệu SiO2 lỏng và MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi là tương tự nhau. Khi áp suất thay đổi, vật liệu MgSiO3 lỏng luôn tồn tại những vùng Si và vùng Mg, ứng với hiện tượng tách pha vi mô. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận án được chia thành 4 chương: Chương 1:Tổng quan về hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 (Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hai vật liệu SiO2 và MgSiO3). 10 Chương 2:Phương pháp tính toán (Trình bày cách xây dựng mô hình ĐLHPT cho hai vật liệu SiO2 và MgSiO3. Cách xác định và phân tích các đặc trưng cấu trúc, đặc trưng động học đối với các mẫu đã xây dựng). Chương 3: Cấu trúc và động học của SiO2 lỏng (Trình bày về cấu trúc và các đặc trưng động học của SiO2 lỏng. Giải thích hiện tượng đa thù hình dựa trên năm ĐVPT và mô hình hai trạng thái. Giải thích cơ chế của hiện tượng khuếch tán và động học không đồng nhất). Chương 4:Cấu trúc của MgSiO3 lỏng (Trình bày về các đặc trưng cấu trúc của MgSiO3 lỏng khi áp suất thay đổi). Luận án đã tham khảo 79 tài liệu. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trong 06 công trình trên các tạp chí quốc tế, tạp chí trong nước và kỷ yếu hội nghị. Trong đó có 04 công trình được đăng tại tạp chí quốc tế (ISI) gồm: 01 bài tại Modern Physics B 30, pp. 1650059 (2016); 01 bài tại Eur. Phys. J. B, pp. 73 (2016); 01 bài tại High pressure research 36, pp. 187-197 (2016) và 01 bài tại Physica B 501, pp. 18-25 (2016). Trong nước có 02 bài đăng tại tạp chí và kỷ yếu hội nghị bao gồm: 01 bài tại Journal of Science of HNUE 60 (7), pp. 62-67 (2015); 01 bài tại Journal of Physics: Conference Series 726, pp. 012020 (2016). 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HAI VẬT LIỆU SiO2 VÀ MgSiO3 Hai vật liệu SiO2 và MgSiO3 luôn nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học vì những tiềm năng ứng dụng cũng như ý nghĩa đối với ngành khoa học trái đất. Nhiều công trình thực nghiệm, mô phỏng đã tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan tới cấu trúc và động học của hai vật liệu trên. Trong chương này, chúng tôi trình bày những hiểu biết cùng những thành tựu nghiên cứu đã đạt được nhằm làm rõ vấn đề sẽ được nghiên cứu trong luận án. 1.1 Tổng quan vật liệu SiO2 1.1.1. Cấu trúc Silíc điôxít (SiO2) là một trong những khoáng chất phổ biến trong vỏ trái đất, là vật liệu quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, gốm sứ, thủy tinh; công nghiệp sản xuất silicon; công nghiệp điện tử và sợi quang v.v.. SiO2 có nhiều dạng thù hình tồn tại ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Các dạng tinh thể của SiO2 bao gồm: α-quartz, β-quartz, α-tridymite, β- tridymite, α-cristobalite, β-cristobalite, v.v.. Trong đó quartz (thạch anh) là dạng phổ biến nhất và là thuật ngữ thường được sử dụng khi nói về cấu trúc tinh thể của SiO2. Ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, α-quartz là dạng thù hình bền vững về mặt nhiệt động học so với các dạng tinh thể khác. Thuật ngữ α thường