Thủy tinh là chất rắn hay chất lỏng?

0
65

Trước khi Pilkingtons phát minh ra kính cửa vào giữa thế kỷ 19, người ta không thể chế tạo được những tấm kính phẳng. Kính cửa sổ đã cũ sẽ không được phẳng và láng. Vì thế, một số người từng nghĩ rằng do thủy tinh là chất lỏng nên sẽ chảy xuống qua nhiều thế kỷ. Điều này là sai lầm. Nhưng mặc dù thủy tinh không chuyển động theo khung thời gian “chậm” đến hàng thế kỷ, thì bản chất thật sự của thủy tinh là chất rắn hay là một loại chất lỏng rất đặc cũng là điều mà chúng ta không biết được.

thủy tinh
Quyết định đi nào, thủy tinh. (jurra8)

Để có thể giải quyết được thách thức này – xác định thủy tinh có thể trở thành chất rắn thật sự hay không – đòi hỏi phải nhận biết chính xác được sự chuyển thể, giống như nước (thể lỏng) đông lại trở thành băng (thể rắn) khi nhiệt độ thay đổi. Tất nhiên có thể tìm thấy thủy tinh ở trạng thái chất lỏng, nhưng liệu nó có trở thành chất rắn thật sự không một khi nhiệt độ hạ xuống?

Vấn đề đối với những vật liệu tạo thủy tinh – vốn bao gồm nhựa, hợp kim và đồ gốm cùng với “thủy tinh” thường dùng – là không có một sự chuyển thể rõ ràng nào. Khi nhiệt độ giảm xuống, chúng ta không thể chắc chắn rằng thủy tinh đã trở thành một loại chất rắn hay chưa.

Quá trình Quá độ Của Thủy Tinh

Kiến thức của con người đối với thủy tinh ít ỏi đến mức nếu có xảy ra một quá trình quá độ thì nó cũng khó có thể được thế giới chấp nhận. Có người nói rằng “lý thuyết về sự quá độ của thủy tinh có nhiều hơn cả số lượng các nhà vật lý lý thuyết đề xuất ra lý thuyết ấy”.

Khi trải qua một cuộc cách mạng khoa học, đầu tiên sẽ có nhiều lời giải thích đối chọi nhau về ‘điều gì đang xảy ra’ trước khi có một giải thích được cộng đồng khoa học chấp nhận là đúng. Với cách nhìn nhận như vậy, hiểu biết của chúng ta về ‘điều gì xảy ra’ khi một chất lỏng giảm nhiệt độ, liệu nó có hình thành nên một loại “thủy tinh lý tưởng” hay không, hiện tại đang phải trải qua một cuộc cách mạng khoa học hiện đại.

phân tử
Các phân tử trong một chất lỏng đặc. Những khu vực màu xanh dương là giống với chất rắn, những điểm lấm tấm màu xanh lá, vàng và đỏ thì giống chất lỏng hơn (Hình ảnh được tác giả cung cấp).
Lý do khiến chúng ta khó mà quan sát được quá trình chuyển thể – từ thể lỏng thành “thủy tinh lý tưởng” hoàn toàn rắn – là vì để làm được như vậy chúng ta phải đợi một khoảng thời gian dài siêu thường (lâu hơn nhiều thế kỷ) vì quá trình này diễn ra rất chậm. Tuy nhiên, quan sát biểu hiện của các chất lỏng đặc thì thú vị hơn là phải chờ đợi một thời gian dài như thế.

Nếu chúng ta quan sát biểu hiện vi quan của những nhóm nhỏ các phân tử, thì có vẻ như những loại chất lỏng đặc khó đưa ra được quyết định dứt khoát liệu chúng sẽ là chất rắn hay chất lỏng. Những khu vực có kích cỡ khoảng vài chục phân tử là giống với chất lỏng, những chỗ khác thì giống với chất rắn. Qua thời gian, những khu vực này thay đổi giữa trạng thái giống chất rắn hoặc giống chất lỏng. Điều này hoàn toàn khác biệt với hiện tượng nước đông khi mà tất cả các phân tử nước cùng nhau quyết định trở thành chất rắn.

Chúng tôi đã cố trả lời câu hỏi này và phát hiện ra một biện pháp mới để hiểu được các phân tử hành xử như thế nào trong những khu vực nhỏ ở một loại chất lỏng đặc. Chúng tôi sử dụng lý thuyết thông tin dùng để giải mã hóa, được phát triển đầu tiên tại Bletchley Park, để tìm hiểu xem các phân tử ở những khu vực giống chất rắn và những khu vực giống chất lỏng giao tiếp với nhau bằng cách nào. Việc này đòi hỏi phải tính toán các phép hoán vị và tổ hợp của các tương tác giữa các hạt nguyên tử, rất giống với những phép hoán vị và tổ hợp cần thiết để phá mã Enigma.

chất lỏng đặc
Giao tiếp trong một chất lỏng đặc. Chúng tôi đã chỉ ra rằng phân tử đỏ chỉ giao tiếp với một nhóm phân tử lân cận (thể hiện bằng màu xanh dương). Những phân tử trong suốt khác không nằm trong “cuộc đối thoại” này (Hình ảnh được tác giả cung cấp).

Mỗi  phân tử “nói chuyện” với một nhóm phân tử gần đó và nhóm phân tử đó hoặc là giống chất rắn hoặc là giống chất lỏng. Các nhóm phân tử giống chất rắn cùng đồng thời tổ chức sắp xếp thành icosahedra (hình khối 20 mặt) – một trong năm loại hình khối đa diện đều Platon– theo dự đoán của Charles Frank, cũng thuộc Đại học Briston, vào năm 1952. Trong khi đó, những nhóm các phân tử giống chất lỏng ít có tổ chức hơn, thường tạo thành hình hộp vuông và tứ diện đều vốn không cố định (không giống chất rắn) như icosahedra (hình khối 20 mặt).Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy số lượng những phân tử giống chất rắn kết nối thành icosahedra tăng khi nguyên liệu này đặc hơn, và phạm vi của những khu vực phân tử có cấu trúc icosahedra ngày càng lớn hơn. Cuối cùng, tất cả các phân tử đều được gắn kết thành những icosahedra và nguyên liệu đó trở thành thủy tinh lý tưởng (hoàn toàn rắn). Nghiên cứu này xác minh giả thuyết về sự tồn tại của thủy tinh lý tưởng, đưa chúng tôi đến gần hơn với lời giải đáp cho cuộc cách mạng khoa học về sự chuyển thể của thủy tinh.

Hiểu được hành vi của những loại vật liệu tạo thủy tinh và liệu có tồn tại thủy tinh rắn thật sự hay không là rất quan trọng đối với việc phát triển các loại thủy tinh kim loại. Những đặc tính cơ học, như độ cứng, của những loại thủy tinh này là cao hơn so với các kim loại thông thường. Một loại chất tạo thủy tinh quan trọng khác nữa là những nguyên liệu hỗn hợp chalcogen, là chất liệu cơ sở của công nghệ lưu trữ thông tin quang, một công nghệ tương lai quan trọng ứng dụng cho những ổ cứng non-volatile (lưu thông tin không cần điện) công suất lớn.

Bài viết này được đăng nguyên gốc trên The Conversation.

Bởi: Paddy Royall, University of Bristol

Xem thêm:

 

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây