Năm bí ẩn về thủy tinh mà chúng ta vẫn chưa thể giải thích: từ thủy tinh kim loại đến những chất tương tự bất ngờ

Thần thoại trôi chảy

Nhìn qua các cửa sổ kính màu của bất kỳ nhà thờ thời Trung cổ nào, và bạn gần như chắc chắn sẽ thấy một khung cảnh méo mó. Hiệu ứng này từ lâu đã khiến các nhà khoa học cũng như những người không phải là nhà khoa học nghi ngờ rằng, nếu có đủ thời gian, thủy tinh sẽ chảy như một chất lỏng đặc biệt nhớt. Nhưng có bất kỳ giá trị nào cho tuyên bố này không?

Câu hỏi không đơn giản như nó có thể xuất hiện lúc đầu. Trên thực tế, không ai có thể nói chính xác khi nào một chất lỏng ngừng là chất lỏng và bắt đầu trở thành thủy tinh. Thông thường, các nhà vật lý cho biết chất lỏng đã trở thành thủy tinh khi giãn nguyên tử - thời gian để một nguyên tử hoặc phân tử di chuyển một phần đáng kể đường kính của nó - dài hơn 100 giây. Tỷ lệ thư giãn này là khoảng 10¹⁰ chậm hơn lần trong mật ong chảy nước, và 10¹⁴ chậm hơn trong nước lần. Nhưng sự lựa chọn của ngưỡng này là tùy ý: nó không phản ánh sự thay đổi rõ rệt trong vật lý cơ bản.

Mặc dù vậy, thư giãn 100 giây là hoàn toàn phù hợp với tất cả các mục đích của con người. Với tốc độ này, một mảnh thủy tinh soda-vôi thông thường sẽ mất các aeon để từ từ chảy và biến thành silicon dioxide kết tinh có năng lượng mạnh hơn - hay còn được gọi là thạch anh. Do đó, nếu kính màu trong các nhà thờ thời Trung cổ bị cong vênh, thì nhiều khả năng đó là kết quả của kỹ thuật kém của thợ làm kính ban đầu (theo tiêu chuẩn hiện đại). Mặt khác, chưa có ai thực hiện thí nghiệm ngàn năm để kiểm tra.

Tìm kiếm chiếc kính "lý tưởng"

Khi chất lỏng nguội đi, nó có thể cứng lại thành thủy tinh hoặc kết tinh. Tuy nhiên, nhiệt độ mà chất lỏng chuyển sang thủy tinh không cố định. Nếu chất lỏng có thể được làm lạnh chậm đến mức không tạo thành tinh thể, thì chất lỏng cuối cùng sẽ chuyển sang dạng thủy tinh ở nhiệt độ thấp hơn, và kết quả là tạo thành một chất đặc hơn. Các Nhà hóa học Hoa Kỳ Walter Kauzmann đã ghi nhận thực tế này vào cuối những năm 1940, và sử dụng nó để dự đoán nhiệt độ mà thủy tinh sẽ hình thành nếu một chất lỏng được làm lạnh "ở trạng thái cân bằng" - tức là chậm vô hạn. Một điều nghịch lý là “thủy tinh lý tưởng” sẽ có entropy giống như một tinh thể, mặc dù vẫn vô định hình hoặc bị rối loạn. Về cơ bản, một chiếc kính lý tưởng là nơi các phân tử được đóng gói với nhau theo cách sắp xếp ngẫu nhiên dày đặc nhất có thể.

Trong năm 2014, các nhà vật lý bao gồm Giorgio Parisi của Đại học Sapienza của Rome ở Ý (người đã chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 2021, cho công trình của mình về “sự tác động lẫn nhau của rối loạn và dao động trong các hệ thống vật lý”) đã vạch ra một giản đồ pha chính xác để hình thành một chiếc kính lý tưởng, trong giới hạn (dễ hơn về mặt toán học) của kích thước không gian vô hạn. Thông thường, tỷ trọng có thể là một tham số thứ tự để phân biệt các trạng thái khác nhau, nhưng trong trường hợp thủy tinh và chất lỏng, tỷ trọng gần như giống nhau. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu phải dùng đến một hàm “chồng chéo”, nó mô tả sự giống nhau về vị trí của các phân tử trong các cấu hình vô định hình có thể có khác nhau, ở cùng một nhiệt độ. Họ phát hiện ra rằng khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Kauzmann, hệ thống dễ rơi vào trạng thái khác biệt với độ chồng chéo cao: pha thủy tinh.

Trong không gian ba chiều, hoặc thực tế là bất kỳ số chiều hữu hạn nhỏ nào, lý thuyết về sự chuyển đổi thủy tinh ít chắc chắn hơn. Một số nhà lý thuyết đã cố gắng mô tả nó về mặt nhiệt động lực học, một lần nữa sử dụng khái niệm thủy tinh lý tưởng. Những người khác tin rằng đó là một quá trình “động”, trong đó, ở nhiệt độ thấp dần, ngày càng nhiều túi phân tử bị bắt giữ, cho đến khi toàn bộ phần lớn trở nên thủy tinh hơn không. Trong một thời gian dài, những người ủng hộ hai phe đã ở trong tình trạng khó xử. Tuy nhiên, trong vài năm qua, nhà lý thuyết vật chất cô đặc Paddy Royall tại ESPCI Paris ở Pháp và các đồng nghiệp tuyên bố đã chỉ ra cách hai cách tiếp cận có thể được dung hòa phần lớn (J. Hóa. Vật lý. 153 090901). Ông nói: “Rất nhiều sự kháng cự [để đạt được thỏa thuận] mà chúng ta thấy cách đây 20 năm đã bị mất đi.

Hai con đường dẫn đến một chiếc kính tốt hơn

Để thay đổi các đặc tính của thủy tinh, bạn có hai tùy chọn cơ bản: thay đổi thành phần của nó hoặc thay đổi cách xử lý. Ví dụ, sử dụng borosilicat thay vì sôđa và vôi thông thường làm cho thủy tinh ít bị căng hơn khi đun nóng, đó là lý do tại sao thủy tinh borosilicat thường được sử dụng thay cho vôi soda nguyên chất cho đồ nướng. Để làm cho kính cứng hơn nữa, bề mặt bên ngoài của nó có thể được làm nguội nhanh hơn so với phần lớn của nó trong quá trình “tôi luyện”, như trong Pyrex ban đầu của Corning.

Một trong những cải tiến khác của Corning, Gorilla Glass dành cho điện thoại thông minh, có công thức cấu tạo và xử lý phức tạp hơn để đạt được đặc tính chống xước và bền. Là một vật liệu kiềm-aluminosilicat, nó được sản xuất trong một tấm giữa không khí trong một quy trình đặc biệt được dập tắt nhanh chóng “được rút ra nhiệt hạch”, trước khi được ngâm trong dung dịch muối nóng chảy để tăng cường hóa chất bổ sung.

Thông thường, một ly thủy tinh càng đậm đặc thì nó càng mạnh. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng thủy tinh rất đặc có thể được tạo ra bằng cách lắng đọng hơi vật lý, trong đó vật liệu hóa hơi được ngưng tụ trên một bề mặt trong chân không. Quá trình này cho phép các phân tử lần lượt tìm ra cách đóng gói hiệu quả nhất của chúng, giống như trò chơi Tetris.

Làm chủ kim loại

trong 1960 Pol Duwez, một nhà vật lý vật chất cô đặc người Bỉ làm việc tại Caltech ở California, Hoa Kỳ, đang làm lạnh nhanh chóng các kim loại nóng chảy giữa một cặp trục cán nguội - một kỹ thuật được gọi là dập tắt giật gân - khi ông phát hiện ra rằng các kim loại đông đặc đã chuyển sang dạng thủy tinh. Kể từ đó, kính kim loại đã khiến các nhà khoa học vật liệu say mê, một phần vì chúng rất khó chế tạo và một phần vì những đặc tính khác thường của chúng.

Không có ranh giới hạt vốn có trong kim loại tinh thể thông thường, kính kim loại không dễ bị mòn, đó là lý do tại sao NASA đã thử nghiệm chúng để sử dụng trong hộp số không có chất bôi trơn, được thấy ở đây, trong các robot vũ trụ của họ. Những chiếc kính này cũng chống lại sự hấp thụ động năng - ví dụ, một quả bóng làm bằng vật liệu này sẽ nảy trong một thời gian dài kỳ lạ. Kính kim loại cũng có đặc tính từ mềm tuyệt vời, làm cho chúng trở nên hấp dẫn đối với các máy biến áp hiệu quả cao và có thể được sản xuất ở các hình dạng phức tạp, như nhựa.

Nhiều kim loại sẽ chỉ chuyển sang dạng thủy tinh (nếu chúng hoàn toàn như vậy) với tốc độ làm lạnh nhanh đến ngoạn mục - hàng tỷ độ mỗi giây hoặc hơn. Vì lý do đó, các nhà nghiên cứu thường tìm kiếm các hợp kim chuyển đổi dễ dàng hơn, thường là bằng cách thử và sai. Tuy nhiên, trong vài năm qua, Ken Kelton tại Đại học Washington ở St Louis, US và các đồng nghiệp đã gợi ý rằng có thể dự đoán nhiệt độ chuyển tiếp của thủy tinh bằng cách đo độ nhớt trượt và sự giãn nở nhiệt của kim loại lỏng (Acta Mater. 172 1). Kelton và nhóm của anh ấy đã chạy một dự án nghiên cứu trên Trạm vũ trụ quốc tế, để nghiên cứu nhiệt độ mà tại đó kim loại thực sự trở thành thủy tinh, và nhận thấy rằng quá trình chuyển tiếp bắt đầu trong khi kim loại vẫn là chất lỏng. Bằng cách đo độ nhớt của chất lỏng, các nhà nghiên cứu hiện có thể xác định liệu thủy tinh có hình thành hay không và một số đặc tính của nó sẽ như thế nào. Dự đoán sẽ trở nên phổ biến, kính kim loại trong các thiết bị thương mại cũng vậy. Trên thực tế, công ty công nghệ Mỹ Apple từ lâu đã nắm giữ bằng sáng chế về việc sử dụng kính kim loại trên vỏ điện thoại thông minh, nhưng chưa bao giờ đưa nó vào thực tế - có lẽ do khó khăn trong việc tìm kiếm một loại kính kim loại có hiệu quả kinh tế.

Tương lai của vật liệu thay đổi pha

Các tính chất cơ học của thủy tinh và tinh thể có thể khác nhau, nhưng thông thường các tính chất quang học và điện tử của chúng khá giống nhau. Ví dụ, đối với con mắt chưa qua đào tạo, thủy tinh silicon-dioxide bình thường trông gần giống như thạch anh, một đối tác tinh thể của nó. Nhưng một số vật liệu - đặc biệt là chalcogenide, bao gồm các nguyên tố từ nhóm oxy của bảng tuần hoàn - có các tính chất quang học và điện tử khác nhau rõ rệt ở trạng thái thủy tinh và tinh thể của chúng. Nếu những vật liệu này cũng xảy ra là chất rèn thủy tinh “xấu” (nghĩa là kết tinh khi được nung nóng nhẹ) thì chúng được gọi là vật liệu thay đổi pha.

Hầu hết chúng ta sẽ xử lý các vật liệu thay đổi pha vào lúc này hay lúc khác: chúng là phương tiện lưu trữ dữ liệu của đĩa DVD có thể ghi lại và các đĩa quang khác. Đưa một trong số chúng vào một ổ đĩa thích hợp và tia laser có thể chuyển bất kỳ bit nào trên đĩa giữa trạng thái thủy tinh và tinh thể, biểu thị một hoặc một số không nhị phân. Ngày nay, đĩa quang đã được thay thế phần lớn bằng bộ nhớ “flash” điện tử, có mật độ lưu trữ lớn hơn và không có bộ phận chuyển động. Kính chalcogenide đôi khi cũng được sử dụng trong các mạch quang tích hợp quang tử, như hình ở đây. Các vật liệu thay đổi giai đoạn đã tiếp tục tìm thấy các ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu bởi Công ty công nghệ Hoa Kỳ Intel và “Optane” của nó thương hiệu bộ nhớ, truy cập nhanh nhưng không thay đổi (nó không bị xóa khi tắt nguồn). Ứng dụng này vẫn còn thích hợp, tuy nhiên.

Có lợi hơn, nhà lý thuyết trạng thái rắn nói Matthias Wuttig tại Đại học RWTH Aachen, Đức, là hỏi đặc tính thay đổi pha đến từ đâu. Bốn năm trước, ông và những người khác đã đề xuất một loại liên kết hóa học mới, liên kết "metavalent", để giải thích nguồn gốc của nó. Theo Wuttig, liên kết metavalent cung cấp một số phân chia điện tử, như trong liên kết kim loại, nhưng có thêm đặc tính chia sẻ điện tử, như trong liên kết cộng hóa trị. Thuộc tính duy nhất, bao gồm thay đổi pha, kết quả (Tư vấn. Vật chất. 30 1803777). Không phải tất cả mọi người trong lĩnh vực này đều muốn thêm một loại liên kết mới vào sách giáo khoa, nhưng Wuttig tin rằng bằng chứng sẽ nằm trong bánh pudding. Ông nói: “Câu hỏi bây giờ là liệu [metavalent bonding] có sức mạnh tiên đoán hay không. "Và chúng tôi tin rằng nó có."

Kính nơi bạn ít mong đợi nhất

Người hâm mộ các lễ hội âm nhạc sẽ nhận ra hiện tượng: bạn đang dần cố gắng rời khỏi buổi biểu diễn cùng với hàng nghìn người khác, thì đột nhiên đám đông dừng lại, và bạn không thể di chuyển được nữa. Giống như một phân tử trong silica nóng chảy làm lạnh, chuyển động của bạn đột nhiên bị bắt giữ - bạn và những người tham gia lễ hội đã biến thành một chiếc ly. Hoặc một chất tương tự thủy tinh, ít nhất.

Các chất tương tự thủy tinh khác bao gồm đàn kiến, tế bào sinh học bị mắc kẹt giữa các phiến kính và chất keo, chẳng hạn như bọt cạo râu (xem hình trên). Đặc biệt, chất keo, với các hạt có kích thước lên đến micromet, là hệ thống thuận tiện để kiểm tra các lý thuyết về sự chuyển dịch kính, vì động lực học của chúng thực sự có thể được nhìn thấy qua kính hiển vi. Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là sự khởi đầu của hành vi kính trong các thuật toán máy tính nhất định. Ví dụ: nếu một thuật toán được thiết kế để tìm kiếm các giải pháp tốt hơn dần dần cho một vấn đề với một số lượng lớn các biến, nó có thể trở nên quá phức tạp và phải dừng lại trước khi tìm ra giải pháp tối ưu. Tuy nhiên, bằng cách mượn các phương pháp thống kê được thiết kế cho nghiên cứu cơ bản về kính, các thuật toán như vậy có thể được cải thiện và tìm ra các giải pháp tốt hơn.