Giải mã nguồn gốc sức mạnh khó hiểu của thủy tinh

Một ô cửa sổ hoặc một con lật đật có thể vỡ khá dễ dàng, nhưng kính đặc thực sự cứng và mạnh hơn rất nhiều so với về mặt kỹ thuật nếu chúng ta xem xét cấu tạo phân tử của nó.

Mới đây, các nhà khoa học đã tiến gần hơn đến việc tiết lộ nguồn gốc của sức mạnh bí ẩn của thuỷ tinh.

Sử dụng một mô hình máy tính mới được phát minh để tìm ra cách các hạt nguyên tử trong thủy tinh có thể kết nối lại với nhau, các nhà khoa học phát hiện ra rằng mặc dù thiếu cấu trúc có trật tự, những hạt này có thể đặt một xương sống mang lực vào vị trí trước khi thủy tinh nguội hoàn toàn khỏi một trạng thái không ổn định.

Các tính toán cho thấy, bộ xương của các hạt chịu biến dạng bên trong thủy tinh đã đạt được ngưỡng thấm thấu thành công. Đó là điểm mà mạng lưới hạt đủ dày đặc để nâng đỡ vật liệu và giữ cho vật liệu bền vững.

Khi một vật liệu dạng hạt bị nén quá nhiều, nó sẽ tạo thành một chất rắn. Ví dụ như nén các hạt cát, các nhà nghiên cứu mô tả chất rắn kết quả được gọi là “hệ thống bị kẹt”.

Các hệ thống này có một số điểm tương đồng với những gì xảy ra trong kính làm mát và nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình máy tính để so sánh hai hệ thống.

Nhà vật lý Hua Tong từ Đại học Shanghai Jiao Tong ở Trung Quốc cho biết, thủy tinh là một phần của nhóm chất rắn vô định hình thiếu trật tự dải dài bình thường và mô hình mạng trong các nguyên tử và phân tử của chúng, được tìm thấy trong tinh thể, mặc dù rất mạnh ở dạng nguội. Thay vào đó, một tỷ lệ nhỏ các hạt tổng thể biến dạng giữa sự hỗn loạn và rối loạn chung từ góc độ vi mô.

Tuy nhiên, những hạt chịu lực đó trước tiên cần phải lan truyền hoặc thấm đủ xa qua vật liệu và nghiên cứu này nêu bật cách thức thẩm thấu diễn ra khi vật liệu trải qua quá trình chuyển đổi thủy tinh.

Các nhà khoa học giải thích các hạt trong mạng quan trọng này phải được kết nối với nhau bằng ít nhất hai liên kết bền chặt. Tại thời điểm đó, một mạng lưới có thể hình thành liên kết toàn bộ hệ thống với nhau ngay cả khi phần lớn sự sắp xếp phân tử bị rối loạn.

Thủy tinh là một trong những vật liệu hấp dẫn nhất đối với các nhà khoa học, đặc biệt là vì nó thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào việc nó được nung nóng hay làm lạnh. Nó thậm chí có thể đại diện cho một trạng thái mới của vật chất ở nhiệt độ rất thấp.

Các nghiên cứu thậm chí còn cho thấy thủy tinh dường như bất chấp các quy luật nhiệt động học, làm nhiễu các dự đoán khoa học về cách nó hoạt động trong những điều kiện nhất định.

Tất cả những phát hiện này làm cho nghiên cứu về thủy tinh không chỉ về bản thân thủy tinh mà còn về mọi thứ chúng ta hiểu được trở thành sự thật trong vật lý.

Việc phát triển thủy tinh cứng hơn, cứng hơn và bền hơn rất hữu ích trong tất cả các loại sản phẩm, từ đồ nấu nướng đến điện thoại thông minh. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng phát hiện của họ sẽ dẫn đến những cải tiến mới, thiết thực cho vật liệu này, cũng như các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chi tiết hơn.

“Những phát hiện của chúng tôi có thể mở ra một hướng hiểu rõ hơn về chất rắn vô định hình từ góc độ cơ học”, nhà vật lý Hajime Tanaka từ Đại học Tokyo nhấn mạnh.