TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ CỦA VẬT CHẤT
Ở điều kiện bình thường (hay gần bình thường) thì tỷ số V/Vo >> 1, Bằng cách giảm thề tích V người ta có thế đạt được trạng thái của vật chất khi các hạt nằm gần như sát nhau (V/V0 = 1
3). Trạng thái này của vật chất được gọi là trạng thái ngưng tụ (Condensation, gốc tiếng La Tinh condensation là ''sự ngưng kết'', “sự dồn chặt”)
Các vật rắn và lỏng đều thuộc hệ ngưng tụ. Tinh thể là những đại diện đặc trưng nhất của vật rắn. Tuy nhiên cũng tồn tại trạng thái của vật chất là trung gian giữa trạng thái lỏng và trạng thái rắn - đó là các chất vô định hình và tinh thể lỏng.
Đối với các vật rắn thì hình dạng và thể tích luôn được bảo toàn (khi không có tác động từ bên ngoài). Sự chuyển động của các hạt có tính dao động nhỏ quanh các vị trí cân bằng. Còn ở vật thể vô định hình thì các nguyên tử dao động quanh các điểm phân bố hỗn độn và độ trật tự của các điểm này chỉ có thể được quan sát trên những khoảng cách cùng có với những khoảng cách giữa các nguyên tử (trật tự này gọi là trật tự gần). Còn trong các tinh thể thì tính tuần hoàn của các điểm này được quan sát trên những khoảng cách xa tùy ý đối với các nguyên tử (trật tự xa).
Tinh thể có cấu trúc tuần hoàn (nguyên tử, phân tử hay ion) mà ta gọi là mạng tinh thể và thường có dạng đa diện đối xứng đều.
Một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự tồn tại mạng tinh thể là Newton. Ông viết: ''Có thể giả thiết là khi tạo thành tinh thể các hạt đã sắp xếp thành hàng thành lối được hay không?''. Người cùng thời với Newton, nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens đã nhận ra ở đây nguyên nhân tạo ra hình dạng đều của tinh thể. Ông viết: ''Tính đều đặn trong các kết cấu này là do sự sắp xếp của các hạt nhỏ không thấy được như nhau tạo nên chúng''.
Thực ra đa số vật liệu rắn là đa tinh thể, tức là chúng được tạo thành từ vô số hạt tinh thể riêng biệt nhỏ và định hướng một cách vô trật tự (ví dụ các khoáng sản kim loại kỹ thuật, hợp kim), và do đó vật thể không có hình dạng đối xứng như vậy. Ngược lại với da tinh thể là những tinh thể lớn riêng lẻ được gọi là đơn tinh thể (kim loại, thạch anh, florit, kim cương,v.v… Một số trong những chất này (ví dụ thạch anh, berin...) có thể có kích thước lớn (trên 1m) và khối lượng lớn (trên 1 tấn).
Một trong những đặc điểm riêng của tinh thể là chúng có nhiệt độ nóng chảy cố định. Nhà vật lý học người Thụy Sĩ Jean Andre Deluc (1727 - 1817) là người đầu tiên đã phát hiện sự kiện quan trọng đó vào mùa đông năm 1754 - l755. Ông đặt một chiếc bình có cục băng lên ngọn lửa và ông thấy rằng nhiệt độ trong nồi giữ nguyên 00C cho đến lúc cục băng hoàn toàn tan hết thành nước.
Đặc điểm khác của đơn tinh thể là tính không đẳng hướng (tính dị hướng), tức là các tính chất vật lý phụ thuộc vào hướng bên trong tinh thể. Ví dụ độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện, độ giãn nở nhiệt, các tính chất quang học và các tính chất khác đều phụ thuộc vào hướng trong tinh thể. Nguyên nhân sự không đẳng hướng của tinh thể là: sự sắp xếp trật tự các hạt trong tinh thể dẫn đến việc khoảng cách và sự tương tác giữa các hạt phụ thuộc vào hướng trong mạng tinh thể. Các vật thể đa tinh thể có kích thước khá lớn thì đẳng hướng.
Những vật vô định hình có thể là tự nhiên (như hổ phách và những loại nhựa cây khác) và có thể là nhân tạo (như thủy tinh và một số dạng chất dẻo). Để có được những chất vô định hình nhân tạo ta chỉ cần làm lạnh nhanh chất lỏng. Khác với tinh thể, những vật thể vô định hình thì đẳng hướng. Ngoài ra, những chất này không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Khi tăng nhiệt độ chúng mềm ra và chuyển dần sang trạng thái lỏng.
Các tinh thể lỏng được nhà thực vật học người Áo F. Reinitzer và nhà vật lý học người Đức Otto Lehmann (1855 - 1922) tìm thấy năm 1889. Este của colesteiol là chất nằm trong trạng thái này.
Người ta gọi là tinh thể lỏng vì những chất này đồng thời có cả độ chảy đặc trưng cho chất lỏng, cả tính không đẳng hướng đặc trưng cho các tinh thể rắn. Những phân tử tạo thành các tinh thể lỏng có hình dạng dài và nằm song song với nhau trong tinh thể. Chính tính song song này làm xuất hiện tính không đẳng hướng. Còn lực tương tác giữa các phân tử trong đối yếu làm cho tinh thể lỏng có độ chảy đặc trưng cho chất lỏng.
Nhờ các tính chất điện học và quang học đặc biệt nên những tinh thể lỏng được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật (trong monitor phẳng của máy tính điện tử, trong màn hình của những chiếc vô tuyến xách tay trong các máy tính số học, trong những chiếc đồng hồ điện tử v. v...)
Về tính chất thì chất lỏng có trạng thái trung gian giữa hai trạng thái là rắn và khí. Chất lỏng có một số tính chất của vật rắn (có thể tích nhất định có độ bền xác định chống lại sự đứt gãy) và của chất khí (có dáng của bình chứa nó). Các phân tử trong chất lỏng nằm gần như sát vào nhau và được sắp xếp sao cho trong đó có trật tự gần.
Tính chất cơ bản của chất lỏng là tính chảy. Nhà triết học Hi Lạp cổ đại Epicurus giải thích rằng chất lỏng được tạo thành từ những hạt tròn và nhẵn không có khả năng bám vào nhau cho nên chất lỏng có tính chảy.
Ngày nay người ta biết rằng sự chuyển động của các hạt trong chất lỏng là sự kết hợp chuyển động có tính dao động quanh vị trí cân bằng nào đó và những bước nhảy của các phân tử từ một tâm dao động này sang tâm dao động khác. Nếu có ngoại lực tác động vào chất lỏng, và ngoại lực này giữ nguyên lượng của mình trong khoảng thời gian dài hơn khoảng thời gian 
giữa các bước nhảy thì khi đó chất lỏng bắt đầu chảy. Như vậy chất lỏng chảy là kết quả việc nhảy của các phân tử và chủ yếu theo hướng ngoại lực tác động.
Thời gian đối với các chất lỏng khác nhau có giá trị từ 10-11 giây (đối với chất lỏng có độ nhớt thấp) đến vài giờ và thậm chí một vài ngày (đối với thủy tinh). Trong những trường hợp khi thời gian tác động của lực nhỏ hon nhiều so với thì chất lỏng không kịp thể hiện tính chảy và nó sẽ giống như vật rắn, tức là trong đó có thể xuất hiện những biến dạng dịch chuyển các vết rạn v. v…Ví dụ, nếu ta đập mạnh (với vận tốc lớn hơn 23m/s) bằng đầu búa lên dòng tia hỗn hợp dầu máy biến áp với nhựa thông, ta có thể quan sát thấy mặt gãy và những phần riêng biệt của dòng tách ra.
CACBON CÓ NHIỀU GƯƠNG MẶT
Khi nói về tính chất của cacbon (C) Dmitri Ivanovich Mendeleyev đã lưu ý: ''Trong thiên nhiên người ta có thể gặp cacbon tự do, cũng như trong các hợp chất, và có nhiều hình dạng rất khác nhau. Cacbon tự do có ít nhất ba dạng: dạng than, dạng than chì và dạng kim cương. Ở trạng thái là hợp chất thì cacbon nằm trong thành phần của các chất hữu cơ, tức là các chất có trong thực vật và động vật.
Cacbon dưới dạng khí cacbonic có trong nước và trong không khí, dưới dạng muối cacbonat và cặn bã hữu cơ thì có trong đất trồng và khối vỏ của Trái Đất... Nên và bơ, dầu thông và nhựa cây, vải bông và protêin, mô tế bào thực vật và mô cơ động vật - tất cả những thứ đó và nhiều chất khác nằm trong các mô và nước dịch của thực vật và động vật đều là những hợp chất chứa cacbon''.
Cacbon tự do là tinh thể rắn. Ngoài kim cương và than chì mà Mendeleyev (Ngày nay người ta thấy rằng than đá không phải là cacbon nguyên chất) cacbon tự do còn có các biến thể khác: cacbin, lonsdaleite và fullerit. Làm sao mà những nguyên tử cacbon lại có thể tạo thành những chất có tính chất có tính khác hẳn nhau như vậy? Vấn đề là ở chỗ các nguyên tử cacbon có thể liên kết với nhau bằng nhiều cách đồng thời tạo ra những mạng tinh thể khác nhau.
Sắp xếp các nguyên tử cacbon như trên hình vẽ ta sẽ có than chì là loại vật liệu màu thẫm, mềm, dạng phân lớp và có ánh kim loại. Khi tà nén than chì thì nó sẽ bị tách ra thành lớp. Nhờ đó mà than chì được sử dụng rộng trong việc sản xuất ruột bút chì.
Sắp xếp các nguyên tử theo mô hình mới, ta lại vẫn có cacbon nhưng tính chất hoàn toàn khác. Đó là kim cương, một loại vật chất rắn nhất trong thiên nhiên.
Xếp lại mạch đơn nguyên tử cacbon như những chồng gỗ ta sẽ có mạch cacbin trắng lờ chắc chắn. Chất này người ta tìm ra vào những năm 60 của thế kỷ XX. Trong thiên nhiên nó rất hiếm, nhưng các nhà bác học đã có được phương pháp chế ra nó trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Các hàng thẳng, những cột lục giác từ các nguyên tử cacbon sẽ tạo thành Ionsdaleite hay kim cương hình lục giác. Chất này lúc đầu có được là do nhân tạo, sau người ta tìm thấy nó dưới dạng tinh thể nhỏ bên trong các thiên thạch.
Cuối cùng, nếu lấy vài chục nguyên tử cacbon để tạo thành phân tử có dạng như mặt quả bóng đá, sau đó lấy những ''quả bóng'' này để tạo thành tinh thể thì ta sẽ được fullerit là một chất màu đen, có ánh kim loại và có tính chất của chất bán dẫn. Chất này mang tên của một kiến trúc sư người Mỹ Richard Buckminster Fuller, vì các phân tử của fullerit (fullerene) rất giống những mái vòm các tòa nhà do Fuller thiết kế. Phân tử đầu tiên của biến dạng cacbon này là C60 người ta tìm thấy năm 1985. Tác giả của phát minh này là nhà bác học người Anh Harold Kroto và hai nhà bác học người Mỹ Robert Curl và Richard Smalley vào năm 1996 đã được nhận giải thưởng Nobel về hóa học. Ngày nay người ta vẫn đang nghiên cứu các tính chất của fullerit. Người ta thấy rằng có thể sử dụng chúng để tạo ra những thiết bị có bộ nhớ thông tin có mật độ rất cao, tạo ra những vật liệu siêu dẫn, pin vonta mới, dược liệu chống ung nhọt, các thuốc nhuộm...
Năm 1991 trong quá trình tìm kiếm fullerene các nhà bác học Nhật Bản đã phát hiện trên các điện cực than chì có các ống rỗng bằng cacbon đường kính từ 3 - 4 đến 10 - 30 năm và họ gọi những ống này là ống nang. Thành của những ống này gồm một hay vài lớp nguyên tử. Một đầu của những ống này được đậy bằng ''nắp'' là một mảng có cấu trúc fullerene.
Nghiên cứu các ống nanô cho thấy rằng những vật liệu như điện môi, dẫn điện và bán dẫn đều có thể được tạo thành từ những ống nang này.
Khi đưa vào trong ống các nguyên tử sắt thì vật liệu sẽ có từ tính đặc biệt - đó là sắt từ. Có thể những Mẫu ống nanô - ống này sẽ được dùng để tạo ra những chất siêu dẫn mới.
THẾ GIỚI CÁC POLIME
Polime (hay hợp chất cao phân tử) là những chất có các phân tử được tạo nên từ số lượng lớn các nhóm nguyên tử (mạch polime) lặp đi lặp lại. Polime có thể là loại có sẵn trong tự nhiên (axit nucleic, protêin, tinh bột, cao su, nhựa thiên nhiên, xenlulô, v.v…) có thể là điều chế nhân tạo hay polime tổng hợp (polietilen, polipropilen v.v...).
Một số trong những chất này người ta đã thu được từ đầu thế kỷ XIX. Song các nhà hóa học thời đó thường bỏ qua, không chú ý đến những quá trình dẫn đến ''sự hóa nhựa'', tức là phản ứng trùng hợp (polime hoá) của các sản phẩm của phản ứng hóa học đang nghiên cứu, và do đó đã bỏ qua có một thế giới các hợp chất mới.
Thậm chí sau khi polime đã được tìm thấy, mà suốt khoảng thời gian dài người ta vẫn còn chưa biết cấu trúc của chúng. Lúc đầu người ta cho rằng các polime được tạo thành từ những phân tử nhỏ bé khi những phân tử này rơi vào dung dịch, liên kết với nhau thành những chất phức nào đó. Nguyên tắc lý thuyết mới về cấu trúc các polime được nhà hóa học người Đức Hermann Staudinger (1881 - 1965) đưa ra năm 1922. Ông là người đầu tiên xem polime là những chất được tạo thành từ những đại phân tử có cấu trúc mạch và có khối lượng phân tử rất lớn (ngày nay người ta biết là khối lượng phân tử của các polime sinh vật đạt tới 1010u ). Năm 1953 Staudinger được giải thưởng thưởng trong lĩnh vực hóa học vì đã tìm được các chất cao phân tử.
Các mạch polime có thể chứa từ vài chục đến một tỷ (trong trường hợp ADN) mắt xích. Chúng thường là thẳng hoặc tách nhánh (như răng lược hoặc ngôi sao). Có những đại phân tử tạo nên những mạng (gel) phức tạp rắc rối và đạt kích thước tới vài xăngtimét!
Nghiên cứu các tính chất vật lý của polime dẫn đến việc phải xét lại sự tồn tại ba trạng thái cơ bản đối với mọi vật chất mà trước kia ta cho là phổ biến. Các polime không thể nằm trong trạng thái khí vì khi bị nung nóng mạnh chúng phân ra thành các hợp chất phân tử thấp. Thường các polime có dạng lỏng nhầy (polime nóng chảy), dạng thủy tinh (ví dụ, đa số chất dẻo và nhựa) hay tinh thể lỏng.
Việc tạo tinh thể polime rắn rất phức tạp vì các đại phân tử có độ dài lớn, do đó xuất hiện trạng thái trong đó, miền tinh thể bị tách ra và giữa chúng là những lớp chất vô định hình lớn với những mạch rắc rối.
Ý nghĩa của các chất polime là vô giá, không thể lường hết được. Các polime sinh học là nền tảng cho tất cả các cơ thể sống. Song cả các hợp chất cao phân tử nhân tạo ngày nay cũng là một phần không thể tách rời trong thế giới ta đang sống. Thiếu những vật liệu polime (ví dụ như chất dẻo, sơn, cao su, nhựa,v.v…) không thể nói đến sản xuất và sinh hoạt của con người hiện đại.
