Tiết lộ thuộc tính kỳ lạ của thủy tinh

Các nhà khoa học đã có một phát hiện mang tính đột phá về thuộc tính kỳ lạ của thủy tinh biểu hiện ở cả dạng rắn và lỏng.

Phát hiện này là một bước tiến đến loại máy bay giống như của Wonder Woman (một vai diễn trên phim Justice League). Loại máy bay này có thể có cánh làm bằng thủy tinh hoặc kim loại thủy tinh, chứ không hoàn toàn vô hình.

Bước đột phá này bao gồm việc giải quyết vấn đề về bản chất của thủy tinh đã tồn tại hàng thập kỷ. Mặc dù có hình dạng rắn, thực tế thủy tinh và gel nằm trong tình trạng “mắc kẹt” - dạng trung gian giữa thể lỏng và rắn – và di chuyển rất chậm. Giống như ô tô bị tắc đường, các nguyên tử bên trong thủy tinh không thể đến được nơi chúng muốn vì đường đi bị các nguyên tử bên cạnh cản trở. Vì vậy theo các nhà hóa học và các nhà khoa học vật liệu mặc dù thủy tinh được coi là chất rắn, nó chưa bao giờ thực sự trở thành thể rắn hoàn chỉnh.

Cho đến nay các nghiên cứu mới tập trung vào việc hiểu rõ hiện tượng tắc nghẽn này, nhưng Paddy Royall thuộc đại học Bristol cùng các đồng nghiệp tại Canberra và Tokyo đã chỉ ra rằng thủy tinh không thể trở thành thể rắn vì cấu trúc nguyên tử đặc biệt tạo nên thủy tinh khi nó nguội.

Phần tử keo, giống như nguyên tử, tạo thành một chất đặc quánh trong cấu trúc của thủy tinh. (Ảnh: Paddy Royall, đại học Bristol, UK)

Icosahedron mắc kẹt

Royall cho biết một số vật liệu kết tinh khi chúng nguội, sắp xếp nguyên tử theo hệ thống cân đối gọi là lưới mắt cáo. Mặc dù thủy tinh “muốn” trở thành tinh thể, khi nó nguội các nguyên tử bị nghẽn trong một sắp xếp gần như ngẫu nhiên, ngăn không cho nó hình thành lưới mắt cáo bình thường.

Trong những năm 1950, ngài Charles Frank thuộc Khoa vật lý tại Bristol đã cho rằng sự sắp xếp này tạo thành một icosahedron (khối hai mươi mặt), nhưng tại thời điểm đó ông đã không thể chứng minh giả thuyết của mình.

Royall giải thích rằng một icosahedron là một hình ngũ giác ba chiều, bạn không thể lát sàn bằng những khối ngũ giác, bạn không thể xếp đầy không gian ba chiều bằng các icosahedron. Vì vậy, bạn không thể tạo thành một lưới mắt cáo từ các khối ngũ giác.

Theo ý kiến của Frank, luôn có sự cạnh tranh giữa sự hình thành tinh thể và các khối ngũ giác ở thủy tinh, điều này ngăn cản quá trình tạo thành tinh thể. Nếu bạn làm nguội một chất lỏng và nó tạo ra rất nhiều khối ngũ giác, những khối ngũ giác sẽ tồn tại còn tinh thể thì không thể hình thành.

Royall cho biết Frank đã đúng, và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh điều này qua thí nghiệm. Bạn không thể nhìn thấy điều gì xảy với nguyên tử khi chúng nguội bởi vì chúng quá bé, vì vậy Royall và các đồng nghiệp đã sử dụng các phân tử đặc biệt gọi là colloids (chất keo) giả nguyên tử, nhưng đủ lớn để có thể quan sát bằng kính hiển vi chuyên dụng. Nhóm nghiên cứu đã làm nguội một số và quan sát diễn biến.

Họ nhận thấy rằng gel mà các phân tử này hình thành cũng “muốn” trở thành tinh thể, nhưng không thể vì sự hình thành các cấu trúc giống như icosahedra – giống hệt như Frank dự đoán.

Royall cho biết: “Sự hình thành các cấu trúc này là cơ sở cho các vật liệu 'mắc kẹt' đồng thời giải thích thủy tinh là thủy tinh chứ không phải một chất lỏng – hay chất rắn”.

Các phát hiện này được miêu tả chi tiết trên tạp chí Nature Materials số ngày 22 tháng 6. Cuộc nghiên cứu được Bộ giáo dục, văn hóa, thể thao, khoa học và công nghệ cũng như Hội đồng hoàng gia tài trợ một phần.

Ngăn chặn thảm họa máy bay

Hiểu rõ cấu trúc hình thành của các nguyên tử khi thủy tinh nguội là một bước đột phá quan trọng trong kiến thức về vật liệu siêu bền đồng thời mở ra thời đại phát triển của loại vật liệu bền và nhẹ gọi là thủy tinh kim loại - đã được sử dụng để chế tạo một số loại gậy đánh gôn. Loại vật liệu này có màu đen bóng chứ không phải trong suốt, vì nó có rất nhiều các điện tử tự do (giống như thủy ngân trong nhiệt kế loại cũ).

Kim loại thường kết tinh khi chúng nguội, tuy nhiên áp lực tích lại dọc theo ranh giới giữa các tinh thể có thể dẫn tới sự gãy vỡ cấu trúc kim loại.

Ví dụ, máy bay phản lực đầu tiên trên thế giới, De Havilland Comet của Anh, bị rơi vì nguyên nhân này. Nếu kim loại được chế tạo để khi nguội có cấu trúc giống như thủy tinh và các tinh thể không tạo thành ranh giới, nó sẽ khó bị gẫy vỡ hơn. , Ngoài gậy đánh gôn, thủy tinh kim loại có thể phù hợp cho nhiều loại sản phẩm cần tính mềm dẻo như cánh máy bay hoặc bộ phận máy móc.

Bản chất của thủy tinh khác với hình dạng của nó

Royall là một trong số các nhà khoa học nhận định rằng nếu bạn chờ đủ lâu, có thể hàng tỷ năm, tất cả thủy tinh cuối cùng sẽ kết tinh thành dạng rắn thực sự. Nói một cách khác, thủy tinh không phải đang ở trạng thái cân bằng (mặc dù nó có vẻ như vậy trong tuổi đời hạn hẹp của chúng ta).

Royall phát biểu trên LiveScience: “Điều này vẫn chưa được công nhận một cách phổ biến. Công việc của chúng tôi là cố gắng khiến luận cứ này được chấp nhận rộng rãi hơn. Tôi nghĩ rằng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy thủy tinh ‘muốn’ trở thành tinh thể”.

Royall nói tiếp: “Tuy nhiên, thủy tinh trông giống như chất lỏng, đây cũng là điều bí ẩn mà chúng ta đã tốn nhiều công tìm hiểu. Nhiều ý kiến cho rằng thủy tinh có cấu trúc giống như chất lỏng và vì vậy nó trông giống chất lỏng. Nhưng thực chất nó lại không có cấu trúc của một chất lỏng”.