Thủy tinh đục, trong?

Thủy tinh là một vật thể trong suốt không màu cho đến khi ta pha chế để có một khối thủy tinh với màu sắc như ý muốn, nhưng các lý thuyết về khoa học vật liệu (material sciences) liên quan đến thủy tinh thì đục ngầu, bạn ạ! Tính đến hôm nay, khoa học vẫn chưa giải thích rõ ràng được những nguyên nhân, cách thức dẫn đến việc hình thành của thủy tinh.

Thủy tinh là một vật thể rất xưa cũ nhưng các khám phá về thủy tinh vẫn còn rất mới. Bạn hẳn đã thấy, đã dùng rất nhiều vật dụng bằng thủy tinh, từ cái ly uống nước đến khung cửa sổ, kính xe… Tất cả những vật dụng này đều ở trong thể đặc (solid), và hầu như món nào ở thể đặc cũng “đục”, nghĩa là ánh sáng không thể đi qua, và có nghĩa là mắt thường không thể nhìn thấu, trừ thủy tinh.

Ông bà ta thường dùng chữ “vật” để chỉ một “vật thể” trong thể đặc, và dùng chữ “chất” để gọi những thứ trong thể lỏng (liquid) và thể “khí” (gas). Một vật khi ở trong thể đặc thì tự cấu trúc, các phân tử sắp xếp liên kết với nhau qua những cầu kết nối (bond) tạo nên sự cứng rắn; các phân tử nối kết càng chặt chẽ, vật thể càng cứng rắn. Ánh sáng không thể xuyên qua một khối gỗ, và mắt thường không thể nhìn thấy những vật dụng đằng sau một bức tường; khối gỗ và bức tường là những thứ trong thể “đặc”. Tùy theo vật thể, ánh sáng có thể phản chiếu (reflect), tản rộng (scatter), “thấm” (absorb) hoặc cả ba trạng thái này khi chiếu đến vật thể ấy. Ta có thể sờ, nắm, đo kích thước, trọng lượng một vật thể. Ở thể lỏng, các phân tử (của cấu trúc ấy) đứng riêng lẻ, không sắp xếp theo một thứ tự nào tạo nên những khoảng trống không đồng đều giữa các phân tử. Khi chất lỏng này bốc hơi thành thể khí, các phân tử hoàn toàn tách biệt và rời xa nhau, các khoảng trống càng lớn và tự đó ánh sáng có thể xuyên qua chất lỏng và chất khí. Các phân tử càng rời rạc các khoảng trống càng lớn và ánh sáng đi qua càng dễ dàng như khi mắt ta có thể nhìn qua màn sương, nhìn thấu đáy hồ nước trong. Ta có thể sờ mó nhưng không thể đo kích thước của chất lỏng hay thể khí, dù vẫn có thể đo trọng lượng của chúng qua vật chứa.

Khi ánh sáng đi qua một vật thể, quang tử (photon) từ ánh sáng chạm đến các điện tử trong vật thể và những hiện tượng sau có thể xảy ra:

1. Ðiện tử thu nhận năng lượng từ quang tử và chuyển thành nhiệt.

2. Ðiện tử thu nhận năng lượng từ quang tử và lưu trữ, tạo ra ánh sáng (fluorescence).

3. Ðiện tử thu nhận năng lượng từ quang tử và phản chiếu trở lại.

4. Ðiện tử không thể thu nhận năng lượng từ quang tử, quang tử tiếp tục xuyên qua.

Ðiện tử trong mỗi loại vật thể thu nhận năng lượng một cách khác nhau. Một số thủy tinh hoàn toàn chắn tia cực tím (ultraviolet) của mặt trời, khi biết như thế ta có thể chế tạo loại kính bảo vệ mắt, kính cửa sổ bảo vệ vật dụng trong nhà khỏi bạc màu.

Trở lại với tính trong suốt của thủy tinh. Khác với những dữ kiện phổ thông kể trên về tính chất của vật liệu, thủy tinh là một vật thể trong thể đặc. Câu hỏi là tại sao một vật thể đặc như thủy tinh lại trong suốt (transparent), ánh sáng có thể đi qua, và mắt thường có thể nhìn thấu?

Hẳn bạn đang lắc đầu mà lẩm bẩm, tại sao lại phải quay quắt tìm hiểu những thứ lẩm cẩm, tầm thường như thủy tinh? Vật dụng này đã có tự bao nhiêu ngàn năm, tiền nhân đã biết cách chế tạo các vật dụng bằng thủy tinh để dùng và cách chế tạo kia cũng không mấy thay đổi?

Có rất nhiều lý do để ta tìm hiểu các lý thuyết khoa học kia. Dưới cái nhìn của khoa học vật liệu, thủy tinh không chỉ là những cái ly, cái lọ, cửa kính…, mà là một khối chất lỏng đông đặc với nhưng phân tử liên kết một cách vô trật tự. Theo định nghĩa này, một số plastic, và đồ gốm cũng được xem là thủy tinh!

Thấu hiểu về cách thủy tinh đông khối không chỉ cho ta câu giải đáp về cách chế tạo những món thủy tinh bền chắc tốt đẹp hơn nhưng chính những lý thuyết về cách thủy tinh hình thành sẽ giúp các nhà Dược Học chế tạo một loại dược phẩm dễ hòa tan hơn, và dùng như thuốc uống thay vì thuốc chích. Những lý thuyết kia cũng sẽ giúp con người giải quyết các nan đề trong các ngành khoa học khác trong việc sử dụng các vật liệu thoát thai từ sự kết nối vô trật tự của các phân tử.

Ngoại trừ volcanic glass là thủy tinh “thiên nhiên”, thủy tinh là một vật thể do con người chế tạo. Từ 2,500 năm trước Tây lịch, con người đã biết chế tạo thủy tinh; những hạt thủy tinh tìm thấy ở vùng Mesopotamia được đem đến Ai Cập. Những chiếc lọ thủy tinh được tìm thấy trong hầm mộ của Pharaoh Thutmose III, khoảng 1450 trước Tây lịch. Kỹ thuật chế tạo thủy tinh truyền đi từ những vùng đất này đến Âu Châu. Vật liệu chính để chế tạo thủy tinh là cát, silica, người đương thời pha chế thêm đất, lime, hoặc tro từ gỗ cứng để làm vật liệu chế tạo các vật thủy tinh. Kim loại như đồng được pha thêm để lấy màu xanh lục và đỏ; sắt tạo ra màu đen, nâu, vàng và xanh lục; manganese cho màu tím.

Ðể chế tạo thủy tinh, con người đã dùng nhiều cách như chọn vật liệu như cát, đốt nóng cát cho đến khi chảy thành thể lỏng, sau đó để nguội, và ta có một khối thủy tinh. Việc lựa chọn vật liệu ngoài cát còn có những thứ khiến cát nóng chảy nhanh hơn, khi trở thành thủy tinh, vật dụng không dễ vỡ. Nhiệt độ, thời gian đốt nóng và cách để nguội là những công thức rất chính xác. Vật liệu để chế tạo thủy tinh là những chất khi đông đặc, các phân tử của chúng sẽ liên kết một cách vô trật tự (như một thể lỏng) và chứa những điện tử không thu nhận quang tử của ánh sáng.

Phương thức có tên là “quenching” được sử dụng để chế tạo loại plastic trong suốt, những phân tử của plastic khi đông đặc cũng liên kết một cách vô trật tự và ánh sáng có thể xuyên qua. Cách chế tạo những viên kẹo trong suốt cũng theo thể thức này, đốt nóng các vật liệu đến độ nóng chảy rồi làm đông đặc một cách nhanh chóng. Ðây là một vài cách áp dụng phổ thông để tạo một vật thể trong suốt như thủy tinh.

Cấu trúc hóa học của thủy tinh vẫn còn là nhiều dấu hỏi to tướng. Tại sao các phân tử cát sau khi nóng chảy, đông đặc với nhau lại nối kết một cách vô trật tự? Yếu tố nào khiến chúng liên kết như thế? Nếu ta thay đổi các yếu tố này ta có thể thay đổi tính chất của thủy tinh không? Tiến Sĩ Peter Harrowell, giáo sư Hóa Học tại Ðại Học Sydney, Úc, cho rằng thủy tinh là một thí dụ điển hình của một vật thể với cấu trúc phức tạp khó hiểu nhất. Ở thể lỏng, các phân tử di động lộn xộn, khi nguội, chất lỏng này hoặc đông đá, như nước trở thành các tinh thể đá, hoặc không đông đá mà trở thành một khối thủy tinh. Khác với những chất lỏng quen thuộc như nước khi đông đặc trải qua một giai đoạn chuyển tiếp, phase transition, các phân tử sắp xếp thứ tự theo một kiểu mẫu nhất định tạo thành các tinh thể (crystalline). Các phân tử thủy tinh không có một sự sắp xếp trật tự nào, chúng di động chậm dần rồi ngưng hẳn trong trạng thái giữa thể lỏng và thể đặc.

Khi nước nguội nhanh hoặc chậm, những tinh thể đá vẫn hình thành đồng nhất ở cùng nhiệt độ 32 độ Fahrenheit. Ngược lại khi thủy tinh đông đặc, các khối thủy tinh không hình thành ở cùng một nhiệt độ đồng nhất. Ở nhiệt độ càng thấp, khối thủy tinh nguội càng chậm và có cấu trúc khác với khối thủy tinh nguội nhanh hơn; điều này có nghĩa là ta có thể thay đổi nhiệt độ trong giai đoạn chuyển tiếp để chế tạo một khối thủy tinh có cấu trúc như ý muốn.

Từ những dữ kiện quan sát được kể trên, các chuyên gia về khoa học vật liệu đã đưa ra nhiều lý thuyết khác nhau, từ thập niên 80 của thế kỷ trước cho đến nay, gần 30 năm; từ Âu, Úc sang Mỹ, họ vẫn tranh luận sôi nổi và cố gắng chứng minh giả thuyết của mình. Chưa có nhà khoa học nào thành công: Tiến Sĩ Peter G. Wolynes của Ðại Học California, San Diego với giả thuyết “cấu trúc của thủy tinh liên quan đến lượng entropy”. Tiến Sĩ Juan P. Garrahan, Ðại Học Nottingham, Anh và Tiến Sĩ David Chandler, Ðại Học California, Berkeley chú trọng đến sự thay đổi trong “giai đoạn chuyển tiếp” (phase transition) của thủy tinh. Tiến Sĩ David A. Weitz, một nhà Vật Lý tại Ðại Học Harvard, quay phim để thu nhận sự di động của các khối cầu plastic (plastic sphere) khi đông đặc và trình bày các dữ kiện đã quan sát được. Trong cùng môi trường, một số khối cầu di động, nhưng các khối cầu khác lại không di động và tạo ra một khối plastic trong gần như thủy tinh. Ông giáo sư này chưa giải thích được lý do tại sao lại có sự khác biệt này nhưng vẫn dùng kết quả quan sát này vào việc tìm hiểu thủy tinh vì sự tương đồng của hai thứ vật liệu. Sau cùng, Tiến Sĩ David R. Reichman tại Ðại Học Columbia, Hoa Kỳ nhìn nhận rằng việc cộng đồng khoa học vật liệu chưa giải thích được hiện tượng hình thành của thủy tinh là một điều rất ngạc nhiên cho người bàng quan!

Thủy tinh quả là trong suốt, dễ nhìn dễ chế biến và sử dụng nhưng các giả thuyết giải thích sự hình thành của thủy tinh thì quả là vẫn đục ngầu!