Các nhà bác học đã có một phát hiện mang tính bứt phá về đặc tính kì 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 bứt phá này bao gồm việc xử lí vấn đề về bản chất của thủy tinh đã tồn tại hàng thập kỷ. Mặc dù có hình dáng rắn, thực tế thủy tinh và gel nằm trong trạng thái “mắc kẹt” – dạng trung gian giữa thể lỏng và rắn – và di chuyển rất chậm. Giống như xe hơi bị tắc đường, các hạt nhân bên trong thủy sắc sảog thể đến được nơi chúng muốn vì đường đi bị các hạt nhân bên cạnh cản trở. Vì vậy theo các nhà hóa học và các nhà bác 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 sự tắc này, nhưng Paddy Royall thuộc đại học Bristol cùng các đồng nghiệp tại Canberra và Tokyo đã ra dấu rằng thủy sắc sảog thể trở thành thể rắn vì kết cấu hạt nhân đặc biệt hình thành thủy tinh khi nó nguội.
 |
|
Phần tử keo, giống như hạt nhân, tạo thành một chất đặc sệt trong kết cấu của thủy tinh. (Ảnh: Paddy Royall, đại học Bristol, UK) |
Icosahedron mắc kẹt
Royall cho biết một số vật liệu sự kết tinh khi chúng nguội, sắp xếp hạt nhân theo hệ thống cân xứng gọi là lưới mắt cáo. Mặc dù thủy tinh “muốn” trở thành tinh thể, khi nó nguội các hạt nhân 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 lúc bấy giờ ông đã không thể cho thấy giả thiết của mình.
Royall bào chữa rằng một icosahedron là một 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 đụng chạm 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 cho thấy điều này qua thí nghiệm. Bạn không thể nhìn thấy điều gì xảy với hạt nhân khi chúng nguội bởi vì chúng quá bé, vì vậy Royall và các đồng nghiệp đã áp dụng các phân tử đặc biệt gọi là colloids (chất keo) giả hạt nhân, nhưng đủ lớn để có thể quan sát bằng kiếng hiển vi chuyên dụng. Nhóm nghiên cứu đã làm nguội một số và quan sát diễn ra.
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 kết cấu giống như icosahedra – giống hệt như Frank tiên đoán.
Royall cho biết: “Sự hình thành các kết cấu này là cơ sở cho các vật liệu ‘mắc kẹt’ đồng thời bào chữa thủy tinh là thủy tinh chứ bất công một chất lỏng – hay chất rắn”.
Các phát hiện này được mô tả tiểu 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 kết cấu hình thành của các hạt nhân khi thủy tinh nguội là một bước bứt phá quan trọng trong kiến thức về vật liệu siêu bền đồng thời mở ra thời đại tiến lên của loại vật liệu bền và nhẹ gọi là thủy tinh kim loại – đã được hưởng để trở tạo một số loại gậy đánh gôn. Loại vật liệu này có mầu đen bóng chứ bất công trong vắt, vì nó có rất nhiều các điện tử tự do (giống như thủy ngân trong nhiệt biểu loại cũ).
Kim loại thường sự kết tinh khi chúng nguội, tuy nhiên sức ép tập hợp dọc theo ranh giới giữa các tinh thể có thể dẫn đến sự gãy vỡ kết cấu kim loại.
Ví dụ, máy bay phản ứng dội ngược đầu tiên trên thế giới, De Havilland Comet của Anh, bị rơi vì động cơ này. Nếu kim loại được chế tạo để khi nguội có tổ chức giống như thủy tinh và các tinh thể không gây ra ranh giới, nó sẽ khó bị gẫy vỡ hơn. , Ngoài gậy đánh gôn, thủy tinh kim loại có thể phù thích hợp nhiều loại sản phẩm hoá học cần tính chất mềm dẻo như cánh máy bay hoặc bộ phận máy móc.
Bản chất của thủy tinh khác với hình dáng của nó
Royall là một trong số các nhà bác học nhận định rằng nếu bạn chờ đủ lâu, có thể hàng tỷ năm, tất cả thủy tinh cuối cùng sẽ sự kết tinh thành dạng rắn thực sự. Nói một cách khác, thủy sắc sảog phải đang ở trạng thái cân bằng (mặc dù nó tỏ ra như vậy trong cuộc đời nghèo nàn của chúng ta).
Royall phát biểu trên LiveScience: “Điều này vẫn chưa được thừa nhận một cách phổ biến. Công việc của chúng tôi là cố gắng khiến lí lẽ 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 tiếp tục: “Tuy nhiên, thủy tinh nom vẻ 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 tổ chức giống như chất lỏng và vì vậy nó trông giống chất lỏng. Nhưng bên trong nó lại không có tổ chức của một chất lỏng”.
