Thủy tinh là gì?

Bạn sẽ cười khi đọc câu hỏi có vẻ ngớ ngẩn này nhưng cho tới nay các nhà vật lý vẫn chưa thể trả lời chính xác.

Tìm hiểu về thủy tinh

Thủy tinh là một loại vật liệu kỳ lạ, tồn tại trong trạng thái lỏng rắn (solid liquid) và làm thế nào điều đó xảy ra vẫn còn là bí ẩn chưa có lời giải đáp.

Vào thời Trung Cổ, người ta cho rằng khi dựng đứng một tấm kính lên thì “dòng thủy tinh” chảy chậm nên phần bên dưới sẽ dày hơn. Tuy nhiên đó là một quan niệm sai lầm bởi kỹ thuật sản xuất thủy tinh thời đó vẫn chưa hoàn thiện. Hiện tại, các nhà khoa học đã xác định thủy tinh không phải là chất lỏng chuyển động chậm mà nó là chất rắn. Tuy nhiên, nó được gọi là chất rắn vô định hình bởi nó không có cấu trúc phân tử như “chất rắn thật”, tuy nhiên cấu trúc phân tử của nó cũng chưa đủ bất định để xếp vào dạng chất lỏng.

Thủy tinh không phải là chất lỏng chuyển động chậm mà nó là chất rắn.

Dù vậy, không phải đặc tính nào của thủy tinh cũng được hiểu biết một cách rõ ràng. Câu hỏi lớn nhất là làm thế nào nó có thể chuyển từ dạng lỏng (khi nung chảy) sang dạng chất rắn vô định hình? Khi phần lớn các loại vật liệu trải qua quá trình chuyển đổi giữa trạng thái lỏng và rắn, các phân tử của chúng sẽ ngay lập tức được sắp xếp lại.

Khi các phân tử đang di chuyển tự do trong chất lỏng bị “đông cứng” lại, chúng sẽ hình thành nên một cấu trúc liên kết chặt chẽ. Tuy nhiên quá trình chuyển từ thủy tinh nóng chảy sang một tấm kính rắn, trong suốt lại không diễn ra như vậy. Thay vì thay đổi đột ngột, chuyển động của các phân tử kính lại chậm dần theo chiều giảm nhiệt độ, từ đó giữ lại sự rối loạn của các phân tử lỏng nhưng lại mang các tính chất vật lý của chất rắn.

Do đó, việc đối xử với thủy tinh như thế nào vẫn còn là một câu hỏi mở. Tiến sĩ Hajime Tanaka tại Đại học Tokyo cho biết: “Cứ mỗi nhà nghiên cứu lại cho ra một lời giải thích khác nhau".

Một nguyên nhân cho sự kỳ lạ này có thể là do sự chuyển đổi năng lượng. Theo định luật nhiệt động lực học, khi có sự trao đổi nhiệt diễn ra bên trong một hệ, các nguyên tử khác nhau sẽ tự ổn định bằng cách sắp xếp ít tốn năng lượng nhất. Nhưng trong một hệ, khả năng ổn định của các nguyên tử là khác nhau nên trạng thái ổn định của chúng cũng khác nhau, một số nhóm sẽ rơi vào trạng thái bất ổn định.

Tuy nhiên, cách giải thích này vẫn chưa giải thích được tại sao hành vi ổn định của các nguyên tử là khác nhau. Tuy nhiên, tiến sĩ Tanaka vẫn sẽ tiếp tục cùng với các nhà nghiên cứu khác đi tìm câu trả lời. Ông cho biết: “Cho đến nay sự tạo thành tinh thể và thủy tinh thường được nghiên cứu độc lập. Nhưng tôi tin rằng giữa 2 trạng thái này có mối quan hệ với nhau và bằng cách phân tích cấu trúc hình học của tinh thể, chúng ta có thể sẽ tìm thấy điểm tương tự ở thủy tinh".