Báo cáo tổng quan về thủy tinh là một tiểu luận giúp người đọc có cái nhìn bao quát nhất về các vấn đề liên quan đến thủy tinh như lịch sử phát triển, cấu tạo hóa học, quy trình sản xuất, phân loại và ứng dụng của thủy tinh vào cuộc sống. Tiểu luân đòi hỏi người đọc có một kiến thức cơ bản về hóa để có thể hiểu rõ về vấn đề cấu tạo hóa học.
Trang 4anhdo1999@outlook.com.vn 4
1 Tæng quan vÒ c«ng nghiÖp thñy tinh
Hãy thử tưởng tượng về một thế giới không có sự xuất hiện của thủy tinh
Sẽ thế nào nếu mỗi sáng thức dậy bạn không có gương để soi, nếu xe ô tô không
có kính chắn gió, nếu tivi không có màn hình hoặc nếu những tòa cao ốc không
có cửa sổ…?
Có hằng hà sa số những phát minh, thiết bị, vật dụng, sản phẩm trong đời sống có sự hiện diện của thủy tinh Chỉ riêng trong gia đình, ta có thể kể đến hơn mười vật dụng làm từ thủy tinh: từ chiếc cốc uống nước, bình hoa, gương treo tường đến màn hình điện thoại, màn hình tivi, mặt đồng hồ hay bóng đèn tuýp… Trong bối cảnh nhiều vấn đề môi trường xuất hiện như hiện nay, xã hội đòi hòi những phát minh, những sản phẩm tiên tiến, tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, sử dụng nhiên liệu sạch và giá thành rẻ Tất cả vấn đề trên đều
có thể được giải quyết dựa vào những cải tiến trong công nghệ vật liệu, và, thủy
tinh là một trong những vật liệu đầy hứa hẹn đáp ứng những nhu cầu đó
Các nhà khoa học đang lao đầu vào một cuộc đua khám phá và chế tạo thủy tinh ngay lúc này nhiều hơn bao giờ hết Tiến sĩ John Mauro, chuyên gia nổi tiếng trong lĩnh vực thủy tinh làm tại Corning Incorporated1, khẳng định rằng:
"Đây là thời gian vô cùng tuyệt vời cho các nghiên cứu về thủy tinh" (Corning Incorporated)
Ông còn nói thêm rằng bước tiến công nghệ trong các loại vật liệu khác, như kim loại, đang dần đi xuống Các nhà thiết kế đang tìm đủ mọi cách để cải thiện sản phẩm của mình bằng thủy tinh và kết nối với khách hàng theo những phương thức mới (Corning Incorporated)
Từ khi con người sinh ra đến nay, các nhà sử học đã gọi tên từng thời kì phát triển của loài người dựa theo vật liệu được phát hiện và làm thay đổi căn
1 "Corning Incorporated là công ty sản xuất lớp kính bảo vệ màn hình Gorilla Glass, vốn có trong các điện thoại nổi tiếng trên thị trường như iPhone 4, Nokia N8 hay Samsung Galaxy S."( Thế Mạnh, 2014)
Trang 5anhdo1999@outlook.com.vn 5
bản đời sống xã hội như Thời kì đồ đá, Thời kì đồ đồng, Thời kì đồ sắt 2 … Ngày
hôm nay, với nhiều ứng dụng rỗng rãi, thủy tinh đã dần khẳng định vị thế của mình và sánh ngang với các đối thủ nặng cân khác như sắt, thép và đặc biệt là nhựa Adam Savage3 nghĩ thật không ngoa khi nói rằng thời đại chúng ta đang
sống hôm nay là Thời kì đồ thủy tinh (Corning Incorporated, 2014), kỉ nguyên
của những phát minh đột phá và để đời về một loại vật liệu cấu tạo đơn giản
nhưng vô cùng hữu dụng - không gì khác ngoài thủy tinh
Với những tiềm năng to lớn của mình, cộng thêm sự ra đời của công ty kính tấm ở Anh vào những năm 1773 đã đánh một dấu mốc quan trọng, ngành công nghiệp thủy tinh đã có bước chuyển mình quan trọng và phát triển đến tận ngày hôm nay
NHỮNG THUẬT NGỮ CƠ BẢN
Silicon là gì?
Silicon (phát âm là si-li-kən hoặc si-lə-kän), tiếng Việt gọi là silic, là một
nguyên tố hóa học và là một đơn chất Silic có số hiệu nguyên tử 14 trong bảng tuần hoàn hóa học và được nhà hóa học người Thụy Điển Jons Jacob Benzelius tìm ra vào năm 18234 Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất5 Silic tinh khiết có màu xám và ánh kim khi được đánh bóng Nó thường được sử dụng trong chip máy tính, màn hình LCD6, và pin mặt trời (Hyde, 2014) Silic
là chất bán dẫn quan trọng: ở nhiệt độ bình thường silicon là chất cách điện nhưng nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng7 (Lê Xuân Trọng, 2014)
2 Đây là ba thời kì quan trọng trong lịch sử loài người được đặt tên bởi Christian J Thomsen Sở dĩ ông đặt tên
ba thời kì này như vậy vì ông tìm thấy các dụng cụ lao động được làm từ các vật liệu giống nhau nằm ở cùng một độ sâu trong tầng địa chất Các dụng cụ làm từ đá luôn được tìm thấy ở tầng sâu nhất, các dụng cụ làm từ đồng thì ở tầng trên kế tiếp, còn các dụng cụ làm bằng sắt thì luôn có ở tầng trên cùng Điều này đồng nghĩa với việc sắt được tìm thấy sau đồng và giai đoạn sau phát triển hơn giai đoạn trước (2011)
3 Adam Savage là chuên gia thiết kế công nghiệp và hiệu ứng đặc biệt người Mỹ, dẫn chương trình Mythbuster nổi tiếng
4 Mặc dù Antoine Lavoisier và Humphry Davy cũng đồng thời tìm ra silic nhưng Jons Jacob Berzelius lại được công nhận là người tìm ra nó vào 1823 (Hyde, 2014)
5 Silicon chỉ đứng sau oxy-nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất
6 LCD là viết tắt của Liquid Crystal Display: màn hình tinh thể lỏng
7 Silic có tính bán dẫn vì khi ở nhiệt độ thường, silic không có các hạt tải điện tự do (electron) như kim loại, nhưng khi nhiệt độ tăng, các electron bứt ra khỏi mạng tinh thể silic làm tăng số electron tự do, đồng thời tạo các
lỗ hổng trong mạng tinh thể Lúc này, trong mạng tinh thể silic hình thành hai hạt tải điện âm (electron) và dương (phần còn lại của mạng tinh thể) Do đó silic có thể dẫn điện được.(Nguyễn Thế Khôi, 2014)
Trang 6anhdo1999@outlook.com.vn 6
Silica là gì?
Từ Silica (đọc là si-li-kə) bắt nguồn từ tiếng Latinh có nghĩa là "đá lửa" (loại đá được sử dụng làm công cụ từ thời xa xưa) Silica còn được gọi là silic đioxit (hay SiO2) và là một hợp chất không màu, tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật thạch anh8 Silica cũng là thành phần chính của sa thạch9 và đá hoa cương10 (Hyde, 2014)
Thủy tinh là gì?
Thủy tinh có thành phần chính là silica nhưng có rất nhiều loại thủy tinh khác nhau với những tính chất khác nhau tùy thuộc vào các chất phụ thêm vào Thủy tinh gồm silica và các chất khác được gọi là silicate (đọc là /ˈsɪlɪkət/) (Hyde, 2014) Thủy tinh, nói theo hóa học, là hỗn hợp của nhiều oxit Thông thường, thủy tinh gồm ba thành phần chính:
8 Thạch anh là silica tồn tại ở dạng tinh thể lớn, không màu, trong suốt (Lê Xuân Trọng và ctv, 2014)
9 Sa thạch là một loại đá trầm tích chứa chủ yếu fenspat (Na 2 O.Al 2 O 3 6SiO 2 ) và thạch anh có màu đa dạng (tương tự như cát)
10 Đá hoa cương là loại đá lửa dạng hạt to, có thành phần gồm các chất khí chỉ có sâu trong lòng Trái Đất Trong lõi Trái Đất các loại đá đều bị nung chảy dưới nhiệt độ cao Đá hoa cương được hình thành khi các chất bị nung chảy nguội đi (Perfect Stone and Design, 2014)
Hình 1 Một số hình ảnh về silic
Hình 2 Một số hình ảnh về silica
Trang 7anhdo1999@outlook.com.vn 7
1 Chất tạo thành: Silic đioxit Mặc dù silica là chất tạo thành được sử dụng nhiều nhất, nhưng oxit của boron (B2O3), của germani (GeO2), của photpho (P2O5), của vanadi (V2O5) và của arsen (As2O3) cũng là các chất tạo thành Các chất tạo thành là các oxit làm nên cấu trúc (bộ khung) của thủy tinh (Adams, 1984)
2 Chất trợ: là chất thêm vào để làm giảm nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh Soda11 và bồ tạt12 là hai loại phổ biến Tuy nhiên các chất này làm cho thủy tinh
bị hòa tan trong nước
3 Chất ổn định: đá vôi (CaCO3) Chất này giúp cho thủy tinh cứng hơn và không bị hòa tan trong nước
Ống thổi thủy tinh là gì?
Ống thổi thủy tinh là một thanh bằng sắt hở hai đầu dùng để giữ thủy tinh lỏng ở một đầu, sau đó thổi khí vào đầu còn lại để tạo hình cho thủy tinh lỏng
11 Bồ tạt thu từ tro gỗ, có thành phần là K 2 CO 3 (kali cacbonat)
12 Soda là tên thương mại của chất natri cacbonat (Na 2 CO 3 ), có thể được tạo ra bằng cách đốt lấy tro của các loài thực vật sống ở vùng đất mặn hoặc tảo biển và tảo bẹ (Hyde, 2014)
Hình 3 Một số hình ảnh về thủy tinh
Hình 4 Một số hình ảnh về ống thổi thủy tinh
Trang 8Silicagen là gì?
Silicagen là vật liệu xốp (có nhiều lỗ trống li ti) thu được khi sấy khô axit silixic (H2SiO3) Diện tích bề mặt của silicagen rất lớn, thường vào khoảng 800
m2/g, tức là một thìa cà phê silicagen có tổng diện tích bề mặt cỡ một sân bóng
đá (VNDry) Chính vì lí do này, silicagen thường dùng để hút ẩm và hấp phụ nhiều chất Trong cuộc sống hằng ngày, ta thường gặp silicagen được đóng gói nhỏ bỏ vào các lọ thuốc tây, gói thực phẩm, hộp đựng đồ điện tử…
Trang 9anhdo1999@outlook.com.vn 9
2 Tæng quan lÞch sö thñy tinh
Thủy tinh đầu tiên được phát hiện dưới dạng dưới dạng khoáng chất obsidian13 (đọc là ɔb'sidiən) được tạo ra một cách tự nhiên trong các vụ phun trào núi lửa Thủy tinh được làm ra cách đây rất lâu khoảng 1500 năm trước Công nguyên ở Ai Cập và Mesopotamia Những người thợ đầu tiên tạo ra các đồ vật bằng thủy tinh bằng phương pháp đúc thô sơ: thủy tinh lỏng được đắp xung quanh một cái lõi bằng cát hoặc đất sét sau đó gỡ bỏ phần lõi Thủy tinh sau khi nguội được cắt và mài bóng (Nguyễn Thành, 2005)
Kể từ khi thủy tinh được phát hiện, nó đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người và có công dụng chủ yếu làm chén và cốc uống nước Vào thế kỉ I, thủy tinh lần đầu được người Roman sử dụng làm cửa sổ cho một công trình kiến trúc, còn người La Mã thì sử dụng thủy tinh để làm các loại bình và chai lọ Kĩ thuật thổi thủy tinh cũng đã được phát minh ở thời kì này khi những người thợ Siri phát minh ra chiếc ống thổi Thủy tinh lỏng bám ở cuối ống và người thợ thổi khí vào đầu còn lại làm cho thủy tinh lỏng phình ra như quả bóng bay rồi từ đó người thợ tạo hình theo ý muốn Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây do có lẫn tạp chất sắt trong cát
Từ thế kỉ 7 đến 8, thủy tinh ở khu vực phía Bắc châu Âu có sự sai khác rõ nét với thủy tinh ở khu vực Địa Trung Hải Đó là thủy tinh ở châu Âu sử dụng nguyên liệu bồ tạt thay cho soda Đây là một đột phá quan trọng trong kĩ thuật sản xuất thủy tinh vì thủy tinh có chứa bồ tạt có nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nóng chảy cao hơn, mật độ nguyên tử dày hơn thủy tinh chứa soda
Ở thế kỉ 11, một phương pháp mới chế tạo thủy tinh tấm đã ra đời Người
ta dùng các quả cầu để thổi thủy tinh, chuyển chúng sang dạng hình trụ để tạo hình và cắt chúng khi còn nóng, sau đó dát phẳng thành tấm Kĩ thuật này được hoàn thiện ở thế kỉ 13 ở Venice, Ý (Nguyễn Thành, 2005)
13 Obsidian(đọc là /ɔb'sidiən/), hay còn gọi là đá vỏ chai: là loại đá có kiến trúc thủy tinh được tạo thành khi dung nham từ trong lòng đất phun trào lên trên bề mặt vỏ trái đất và bị làm nguội nhanh Chính vì lí do này mà quá trình kết tinh không xảy ra làm cho đá có cấu trúc vô định hình
Trang 10anhdo1999@outlook.com.vn 10
Từ khi được phát hiện cho đến nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu và sáng chế ra các công nghệ và kỹ thuật mới để việc sản xuất thủy tinh được dễ dàng hơn Nổi bật trong số đó là 3 phương pháp tiên phong sau:
1 Phương pháp "vương miện" (Crown): đây là kĩ thuật được sử dụng rộng rãi đến những năm 1800
2 Phương pháp ống xi lanh: đây là phương pháp được phát kiến bởi
3 Phương pháp kính nổi hiện đại: do Alastair Pilkington sáng chế vào những năm 1960 Đây là công nghệ đã thay đổi nền công nghiệp kính về nhiều mặt: tạo ra sản phẩm rẻ, tạo ra những ứng dụng mới cho kính tấm như trang trí nội thất, làm cửa sổ cho các cao ốc…
Các phương pháp nêu trên sẽ được trình bày kĩ ở chương 5 khi nói về quy trình sản xuất kính phẳng
Thủy tinh xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta dưới vô vàn hình thù và kiểu dáng Đã bao giờ bạn đặt câu hỏi tại sao thủy tinh lại trong suốt hay chưa? Tại sao có một số loại thủy tinh cho ánh sáng đi qua nhưng có một số loại lại không? Cái gì giúp thủy tinh phản xạ ánh sáng và làm nó trở nên vô cùng hấp dẫn trong các tác phẩm nghệ thuật? Tại sao một số loại thủy tinh lại dễ vỡ nhưng một số khác thì không? Tại sao ta có thể tạo ra thủy tinh với đa dạng hình thù? Tại sao thủy tinh lại có nhiều màu khác nhau? Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ cùng giải đáp các thắc mắc ở trên và tìm hiểu vì sao các nghệ sĩ lại ưa chuộng thủy tinh đến như vậy
Trang 11anhdo1999@outlook.com.vn 11
3 C¸c tÝnh chÊt cña thñy tinh
Bạn đã bao giờ nghe nhắc đến khu vườn Chihuly tọa lạc ngay dưới chân tòa tháp Space Needle ở thành phố Seattle (Mỹ) chưa? Đó là một khu vườn trưng bày các tác phẩm nghệ thuật làm từ thủy tinh của nhà điêu khắc thủy tinh Dale Chihuly Đây là khu vườn khu vườn độc nhất vô nhị trên đất Mỹ với tấm trần được làm từ 1200 miếng thủy tinh khác nhau cùng với hàng ngàn tác phẩm lung linh khác
Tại sao họ có thể tạo ra được các tác phẩm như vậy Các nghệ sĩ đã lợi dụng đặc điểm gì của thủy tinh để tạo nên những công trình tuyệt vời đến như thế?
Thủy tinh là chất rắn vô định hình
Trong các nhà thờ có từ thời Trung cổ14, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các tấm kính dùng làm cửa sổ ở những nơi này có một đặc điểm rất lạ Đó là phần dưới của tấm kính dày hơn một ít so với phần trên của tấm kính Từ đó, người ta đưa ra lí do rằng: sở dỉ có hiện tượng như trên vì thủy tinh chảy dần từ trên xuống giống như chất lỏng qua hàng trăm năm Tuy nhiên, Derek Muller15(2015) khẳng định rằng điều đó là sai Không có bằng chứng nào chứng
14 Thời Trung cổ bắt đầu từ thế kỉ V và kết thúc vào thế kỉ XV
15 Derek Alexander Muller là một nhà làm phim chuyên làm các video khoa học người Úc-Canada Anh nổi tiếng trên toàn thế giới với tư cách là người sáng lập kênh video khoa học Veritasium trên Youtube
Hình 5 Hình ảnh về khu vườn Chihuly
Trang 12anhdo1999@outlook.com.vn 12
minh thủy tinh chảy được cả Do đó, lí do nêu trên hoàn toàn không đáng tin tưởng Anh đưa ra một ví dụ rõ ràng để phản bác lại ý kiến cho rằng thủy tinh là chất lỏng: ví dụ về các chiếc kính thiên văn Các kính thiên văn được chế tạo từ hàng trăm năm trước đến bây giờ vẫn còn hoạt động rất tốt, vẫn có thể quan sát được bầu trời và các vì sao(D Muller, 2015) Nếu như thủy tinh thật sự chảy giống như chất lỏng và thấu kính có độ dày không giống nhau ở phần trên và phần dưới, thì các kính thiên văn đó đến bây giờ chẳng phải là đồ bỏ đi hay sao,
vì chúng không thể nào quan sát được khi thấu kính bị sai lệch kích thước như vậy?
Trong một bài báo của mình, George Dvorsky (2013b) đã chỉ ra rằng những chiếc kính cửa sổ có từ thời Trung cổ dày hơn ở phần đáy là do quá trình sản xuất Ở thời đó, kĩ thuật chế tạo kính phẳng không phát triển và hoàn thiện như bây giờ, mọi thứ vẫn còn rất thô sơ và kính chỉ được chế tạo thủ công chứ không có máy móc hiện đại như ngày nay Họ dùng phương pháp Crown (xem chi tiết ở chương 5) để làm ra kính phẳng Quá trình đó có thể được tóm lược như sau: cục thủy tinh lỏng bám vào đầu ống thổi thủy tinh được xoay nhanh, kéo rộng thành hình tròn và làm phẳng bằng tay, sau đó được cắt thành ô cửa sổ Bằng cách làm này, rõ ràng độ dày của tấm kính sẽ không thể đều nhau Phần trung tâm của tấm kính sẽ dày hơn phần rìa ngoài Các người thợ cắt kính và lắp đặt phần dày hơn này ở phía dưới ô cửa và thế là gây nên nhầm lẫn rằng "thủy tinh có thể chảy được"
Vậy thủy tinh không phải là chất lỏng Nó cũng không phải chất khí Thế thì nó sẽ là chất rắn đúng không? Câu trả lời là không Thủy tinh tồn tại ở dạng chất rắn vô định hình ở nhiệt độ thường16 Chất rắn vô định hình không hẳn là chất rắn nhưng cũng không phải là chất lỏng
16 Vật chất tồn tại ở 4 trạng thái: khí, lỏng, rắn và plasma Plasma là các chất khí bị ion hóa ở ngoài vũ trụ
Trang 13anhdo1999@outlook.com.vn 13
Trong chất lỏng, giữa các phân tử không có liên kết hóa học bền Các phân
tử trong chất lỏng cỏ thể chuyển động tự do trườn lên nhau Do đó, chất lỏng không có cấu trúc tinh thể, nó không có hình dạng nhất định mà có hình dạng của vật chứa nó Ta có thể rót chất lỏng như nước, làm đổ, làm tràn nước ra sàn…(Dvorsky, 2013a)
Chất rắn thì hoàn toàn ngược lại Các phân tử (nguyên tử) trong chất rắn liên kết với nhau bằng liên kết hóa học (liên kết kim loại) bền Các phân tử (nguyên tử) trong chất rắn sắp xếp theo một trật tự xác định và chỉ dao động nhiệt tại chỗ nên chúng không thể chuyển động tự do trườn lên nhau như chất lỏng được Vì vậy, chất rắn có hình dạng nhất định
Khi thủy tinh nóng chảy, tức là ở trạng thái lỏng, các phân tử của nó chuyển động tự do trườn lên nhau Khi thủy tinh bị làm lạnh đột ngột, những phân tử này bị "khóa tại chỗ" ngay lập tức, chúng không thể di chuyển tự do được nữa nhưng cũng không thể sắp xếp thành trật tự (Dvorsky, 2013a) Trạng thái nửa vời này là trạng thái vô định hình Các phân tử vẫn liên kết với nhau bằng những liên kết hóa học bền vững nhưng chúng không tạo nên cấu trúc mạng tinh thể mà sắp xếp rất lộn xộn Chính những liên kết bền này giúp cho thủy tinh cứng và có hình dạng nhất định Quan sát Hình 6a, ta thấy các phân tử SiO2 tinh khiết sắp xếp thẳng hàng thẳng lối rất đẹp, song các phân tử trong thủy Tinh thể SiO 2 Thủy tinh vô định hình
Trang 14anhdo1999@outlook.com.vn 14
tinh thì không được như vậy Chúng như một mớ hổ lốn hỗn độn không theo trật
tự nào cả Chưa kể đến việc khi các ion Na+, Ca2+, Mg2+ có trong thành phần thủy tinh sẽ chen vào các lỗ trống làm cho khoảng cách giữa các phân tử rộng ra, lực liên kết yếu hơn, làm các phân tử bị xô lệch nhiều hơn, thậm chí có khi còn gây đứt mạng tinh thể (Xem Hình 6b) Tóm lại, ở nhiệt độ thường, thủy tinh là chất rắn vô định hình
Ở đây, ta cần lưu ý đến cụm từ "Nhiệt độ thường" Thực ra, khi nhiệt độ tăng rất cao, thủy tinh mềm ra rồi nóng chảy (Vì cấu trúc vô định hình, thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định) Trở lại với những tranh cãi về sự chảy của thủy tinh, kĩ sư vật liệu Edgar Dutra Zanotto đã cố gắng tính toán và tìm ra rằng tại nhiệt độ 4140C, thủy tinh sẽ chảy một lượng có thể nhìn thấy bằng mắt thường trong 800 năm (Halem, 2015) Điều này một lần nữa nói lên rằng, trừ phi nhiệt độ Trái Đất đạt 4140C thì thủy tinh không có hiện tượng
"chảy" và làm phần đáy của các tấm kính cửa sổ từ thời Trung cổ dày hơn phần trên được
Thủy tinh trong suốt (cho ánh sáng đi xuyên qua)
Chính cấu trúc vô định hình đã làm cho thủy tinh có tính chất cứng nhưng trong suốt Ta có thể nhìn xuyên qua gương nhưng không thể nhìn xuyên qua khung cửa, ta có thể nhìn xuyên qua gương như nhìn xuyên qua nước Các chất lỏng như nước, dầu ăn, các chất khí đều trong suốt, nhưng các chất rắn như gỗ, kim loại…thì không? Tại sao vậy?
Điều này có thể được lí giải dựa vào sự sắp xếp các phân tử (nguyên tử) trong chất lỏng và chất rắn Như đã đề cập đến ở trên, các phân tử (nguyên tử) trong chất rắn sắp xếp đặc khít và theo trật tự Hãy tưởng tượng nó giống như việc bạn xây nhà, bạn sắp xếp các hòn gạch ngay hàng thẳng lối, cục nọ nối tiếp cục kia, cứ thế bạn xây lên bức tường kiên cố Khoảng cách giữa các viên gạch rất bé Khi ánh sáng chiếu vào, tia sáng không thể xuyên qua bức tường này được Tương tự với chất rắn, tia sáng không thể đi xuyên qua chất rắn vì khoảng cách các phân tử (nguyên tử) trong chất rắn quá bé Ngược lại, vì các phân tử
Trang 15anhdo1999@outlook.com.vn 15
trong chất lỏng chuyển động tự do được, khoảng cách giữa chúng lớn hơn nhiều
so với trong chất rắn nên ánh sáng có thể đâm xuyên qua Khoảng cách càng lớn thì lượng ánh sáng xuyên qua càng nhiều (TDGlass)
Trong cấu trúc của thủy tinh, các phân tử sắp xếp hỗn độn (như chất lỏng)
và chỉ dao động nhiệt tại chỗ (như chất rắn) nên ánh sáng vẫn có thể đi qua Đó
là lí do vì sao thủy tinh rắn nhưng trong suốt
Tuy nhiên, cách hiểu như trên chỉ là một cách hiểu tượng trưng Để hiểu một cách đầy đủ và chi tiết lí do vì sao thủy tinh trong suốt thì ta phải tìm hiểu trên quy mô nguyên tử Cách lí giải sau đây sẽ khảo sát trên quy mô nguyên tử, nhưng cũng chỉ là nói khái quát chứ không đề cập quá sâu vào nguyên lí Nếu bạn có những kiến thức cơ bản về cấu trúc nguyên tử, bạn có thể xem qua Nếu không, bạn nên lướt qua đoạn này
Hãy tưởng tượng cấu trúc nguyên tử giống như một sân bóng đá, các hàng ghế khán giả là nơi di chuyển của electron, còn hạt nhân là một hạt đậu đặt giữa sân bóng và electron là các hạt cát đang bay vòng quanh các hàng ghế đó17 Theo như Mark Miodownik18 (2014) giải thích, câu trả lời nằm ở các mức năng lượng khác nhau của electron Coi mỗi hàng ghế ứng với một mức năng lượng, hàng ghế càng cao thì mức năng lượng càng lớn Ban đầu, mỗi electron được quy định ngồi ở một hàng ghế nhất định Khi có các photon ánh sáng chiếu vào vật liệu và va đập với các electron, các photon có thể truyền năng lượng cho các electron để nó rời khỏi hàng ghế hiện tại và nhảy lên hàng ghế cao hơn Việc này chỉ có thể xảy ra nếu photon cung cấp một năng lượng vừa đủ để electron chuyển lên hàng tiếp theo Nếu không, vật liệu sẽ để photon đi qua, còn electron thì vẫn ở vị trí cũ Và đó chính là điều xảy ra trong thủy tinh Các "hàng ghế" trong thủy tinh quá xa nhau, vì thế năng lượng photon của ánh sáng mà mắt
Trang 16nó có xu hướng quay về chốn cũ Khi lên được hàng ghế cao hơn, nó chỉ ở đó trong một thời gian rất ngắn rồi quay trở lại vị trí ban đầu của mình Cùng với việc đó, nó giải phóng năng lượng đúng bằng năng lượng nó nhận được dưới dạng các photon ánh sáng, làm cho kim loại có tính ánh kim Cũng phải nói thêm rằng, thủy tinh chỉ trong suốt với ánh sáng nhìn thấy mà thôi Khi đặt thủy tinh trong vùng chỉ toàn các tia cực tím thì thủy tinh không trong suốt Vì năng lượng của các tia cực tím lớn đủ để kích thích các electron di chuyển lên "hàng ghế" cao hơn, do đó hiện tượng xảy ra trong thủy tinh lúc này giống vơi kim loại
Đó cũng chính là lí do tại sao bạn sẽ không bị sạm da nếu đứng trong tủ kính dưới ánh nắng mặt trời Theo tiến sĩ Chris Russel, những loại vật liệu khác nhau
sẽ tương tác khác nhau với những loại ánh sáng khác nhau Ông đề nghị nên thay câu hỏi "Tại sao vật liệu lại trong suốt?" bằng câu hỏi "Khi nào thì vật liệu trong suốt?" Câu trả lời được tìm thấy ở chỗ bản chất của vật liệu và bản chất của ánh sáng Xin nhắc lại một lần nữa, ánh sáng không đâm xuyên qua thủy tinh như chúng ta vẫn nghĩ mà nó trải qua quá trình tương tác với các electron và hoặc không bị hấp thụ năng lượng hoặc bị hấp thụ năng lượng
Tùy thuộc vào thành phần các chất và độ tinh khiết của các chất trong thủy tinh mà dạng ánh sáng cũng như lượng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau Chính
vì vậy, trong quá trình sản xuất, người ta có thể pha thêm nhiều tạp chất khác nhau vào thủy tinh để tạo ra các tính chất mong muốn như: chọn lọc ánh sáng, ngăn cản tia cực tím (dùng làm kính râm)…, hoặc người ta có thể làm chậm quá trình làm lạnh thủy tinh dẻo để tạo ra cấu trúc thủy tinh mong muốn để truyền
19 Ánh sáng là tất cả các bức xạ điện từ Mắt thường chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần ánh sáng đó - gọi là vùng ánh sáng nhìn thấy Khi chùm ánh sáng được chiếu qua lăng kính, nó cho ta hình ảnh của vùng ánh sáng nhìn thấy có bảy màu chủ đạo: đỏ, vàng, da cam, lục, lam, chàm, tím(Directorate, 2010)
Trang 17anhdo1999@outlook.com.vn 17
Đồ thị 1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ quánh nhớt của thủy tinh vào nhiệt độ (Fluegel, 2007) Trục nằm ngang là trục nhiệt độ, trục thẳng đứng là trục biểu thị độ quánh nhớt
(Thủy tinh thường)
(Thủy tinh thạch anh) (Thủy tinh borosilicate)
ánh sáng hoặc khúc xạ ánh sáng cho các mục đích khác nhau (làm kính áp tròng, kính cận thị, viễn thị, kính lúp…) (Ngọc Vân)
Thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy nhất định
Đặc điểm chính giúp thủy tinh có thể được tạo hình bằng việc thổi mà các vật liệu khác không có chính là độ quánh nhớt20 của thủy tinh
Từ Đồ thị 1, ta có thể thấy nhiệt độ càng cao thì độ quánh nhớt càng giảm Đây là sự khác biệt giữa thủy tinh và các vật liệu khác Đối với các vật liệu có cấu trúc tinh thể, độ quánh nhớt của chúng luôn không đổi khi nhiệt độ tăng lên Mãi cho đến lúc vật liệu đó đạt đến nhiệt độ nóng chảy T nào đó thì độ quánh nhớt giảm đột ngột và vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng Trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, các liên kết giữa các nguyên tử rất bền như nhau cho nên khi nhiệt
độ tăng cao, chúng vẫn có thể tìm cách xoay xở để tiếp tục liên kết với nhau được Đến nhiệt độ nóng chảy T - ngưỡng giới hạn, các liên kết này không thể
20 Độ nhớt của một chất lưu là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy (Trần Bình Mười, 2014) Vật liệu có độ quánh nhớt càng cao thì nó khó chảy hơn các vật liệu có độ quánh nhớt thấp Ví dụ, dầu ăn có độ quánh nhớt gấp 10 lần nước, mật ong có độ quánh nhớt gấp 10 000 lần nước (Muller, 2015)
Trang 18anhdo1999@outlook.com.vn 18
nào xoay xở để liên kết với nhau được nữa Lúc này chỉ cần cung cấp một ít nhiệt năng thì tất cả liên kết sẽ đồng loạt bị phá vỡ Đây cũng chính là lí do vì sao kim loại có nhiệt độ nóng chảy nhất định
Nhưng thủy tinh thì không có nhiệt độ nóng chảy nhất định Bởi vì khi bị làm lạnh nhanh, các phân tử trong thủy tinh bị "khóa tại chỗ" và không có đủ thời gian để sắp xếp theo trật tự Kết quả là các liên kết trong thủy tinh không đồng nhất, một vài liên kết yếu hơn các liên kết khác Khi nhiệt độ tăng cao, các liên kết yếu nhất bị phá vỡ trước Nhiệt độ cao hơn nữa thì đến các liên kết yếu tiếp theo bị bẻ gãy và cứ tiếp tục như thế Do đó, thủy tinh mềm dần ra, độ quánh nhớt của nó giảm dần khi nhiệt độ tăng dần Nói chung quy, thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy nhất định (Brill, 2012a)
Bạn có thể tưởng tượng đơn giản như thế này: Có một đám người đang chạy lộn xộn trong một căn phòng Khi nhiệt độ hạ xuống giá trị T, tất cả mọi người đồng loạt dừng lại và giữ nguyên vị trí của mình Lúc này mọi người phải nắm lấy tay người bên cạnh Tuy nhiên, một người chỉ có thể nắm lấy tay người bên cạnh nếu người đó đứng gần, nếu đứng ở xa hơn một chút vẫn có thể chạm tay được, còn đứng xa quá thì không thể chạm được tay nhau Kết quả là có những người có thể nắm lấy tay người khác để tạo liên kết có những người thì không Trong thủy tinh cũng hoàn toàn tương tự vậy Khi nắm tay nhau rồi, ta cho nhiệt độ tăng lên dần, và đám người này sẽ phải vừa cầm tay nhay vừa nhún nhảy tại chỗ Nhiệt độ càng cao thì càng phải nhảy nhiều hơn Bạn có thể hình dung được những người chỉ chạm tay nhau sẽ rất khó khăn trong việc vừa nhảy
mà vẫn vừa giữ được liên kết với người khác, do đó họ không còn liên kết nữa Điều này xảy ra giống với các phân tử trong thủy tinh
Một số thủy tinh rất dễ vỡ
Nếu bạn vô tình ném một hòn đá trúng cái cửa sổ, chắc chắn tấm kính sẽ vỡ vụn thành nhiều mảnh nhỏ và sắc Nếu bạn lỡ làm rơi một chiếc li uống nước, chắc chắn nó cũng sẽ vỡ toang Nếu như bạn đã từng để chùm chìa khóa và điện thoại vào cùng một túi quần, có thể khi bạn lấy ra, màn hình điện thoại của bạn
Trang 19tử không liên kết với nhau) và các vết nứt rất rất nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy (Holland, 1964) Thủy tinh cũng có thể bị trầy xước và nứt trong quá trình sản xuất, vận chuyển hay sử dụng (Adams, 1984) Đây là là nguyên nhân tại sao thủy tinh dễ vỡ
Thật không dễ để giải thích câu hỏi "Tại sao thủy tinh dễ vỡ?" trong một trang giấy Để hiểu rõ sự nứt vỡ của thủy tinh, ta phải tìm hiểu sang lĩnh vực
"fractography" - ngành vật lí nghiên cứu về sự nứt gãy của vật liệu Nhưng chúng tôi sẽ truyền đạt một cách dễ hiểu nhất đến các bạn câu trả lời của câu hỏi trên
Theo Adams (1984) giải thích, độ bền của kính phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ sản xuất Độ bền này chỉ bị ảnh hưởng nhỏ bởi thành phần kính nhưng phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt kính Nếu kính có các vết nứt, trầy xước thì khi bị tác dụng lực, những chỗ nứt đó chịu áp lực lớn hơn các chỗ khác Áp lực này vượt quá áp lực giới hạn mà kính có thể chịu được, cho nên kính vỡ Bạn có thể làm một thử nghiệm như thế này: cầm hai đầu một tờ giấy và hãy cố xé nó (thí ngiệm 1) Sau đó dùng kéo (hoặc tay) tạo một vết rách ở rìa tờ giấy và lại cầm hai đầu tờ giấy rồi xé (thí nghiệm 2) Bạn thấy thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2, thí nghiệm nào ta dễ xé tờ giấy hơn Chắc chắn là thí nghiệm 2 Bởi vì ta đã tạo vết nứt trên bề mặt tờ giấy Khi xé, áp lực sẽ tập trung ở đó làm cho tờ giấy dễ bị rách hơn
Trang 20anhdo1999@outlook.com.vn 20
Tính chất cơ học của thủy tinh
Nén, kéo, vặn xoắn thủy tinh với một lực vừa đủ, nó sẽ bị cong hoặc dãn Mặc dù không nhiều nhưng sự cong và dãn có thể thấy được Quan sát một tấm kính lớn đặt trước một luồng gió thổi quật mạnh, bạn có thể thấy tấm kính bị cong trước áp lực của gió (Adams, 1984)
Adams (1984) cũng nói thêm rằng thủy tinh là một vật liệu "bất bình thường", không phải vì nó bị bẻ cong hay bị kéo dãn khi chịu lực vừa phải (các vật liệu khác cũng có thể bị vậy) mà là do nó có thể trở về trạng thái và hình dạng ban đầu nếu ta thôi tác dụng lực [Điều này nghe thật vô lí phải không?] Tính chất này đã xếp thủy tinh vào loại vật liệu đàn hồi Tuy nhiên, nếu tác dụng lực vượt quá giới hạn chịu đựng của thủy tinh, nó sẽ vỡ Đối với những dụng cụ thủy tinh được thiết kế đặc biệt, áp lực sẽ được dàn trải trên khắp bề mặt dụng
cụ, làm tăng giới hạn chịu lực của nó Vì vậy, thủy tinh sử dụng làm các dụng cụ này được xem là có tính đàn hồi hoàn hảo
Một số thủy tinh dẫn điện ở nhiệt độ cao
Một vật liệu có thể dẫn điện khi nó có các hạt tải điện tự do (ví dụ như nước muối dẫn điện vì nó có hạt tải điện tự do là các ion Na+, Cl-; kim loại dẫn điện vì nó có các electron tự do;…)
Ở nhiệt độ thường, thủy tinh không dẫn điện vì các liên kết cộng hóa trị giữa silic và oxi trong thủy tinh mạnh, thêm vào đó các liên kết ion bền cuả Na+,
Hình 7 Kính Gorilla Glass 4 (dày 1.1 mm) trong một thí nghiệm về độ bền
Trang 21bị nấu chảy thành lỏng hoàn toàn, các hạt tải điện tự do di chuyển thoải mái hơn, làm thủy tinh có khả năng dẫn điện (Brill, 2012b)
Thủy tinh dẻo có thể thổi được
Chính vì thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy nhất định, khi nung thì nó mềm dần ra cho nên người ta có thể thổi thủy tinh mà không thể thổi đồng hay thổi cát Thủy tinh dẻo là thủy tinh nóng chảy được làm nguội một phần Thổi thủy tinh đã trở thành một môn nghệ thuật gọi là nghệ thuật "thổi thủy tinh" vì
nó đòi hỏi nhiều sự khéo léo và nhẫn nại Hansen (2011), một nghệ nhân thổi thủy tinh, cho biết thủy tinh sau khi được nung đến 12600C để biến thành chất lỏng, nó sẽ được lăn qua lăn lại trên bàn để làm nguội bớt và trở nên dẻo Không được nguội quá vì nó sẽ hóa rắn cũng Nhiệt độ phù hợp để thổi và tạo kiểu cho thủy tinh là khoảng 8160C Khi thủy tinh được lấy ra khỏi lò, ta thấy nó nóng sáng màu cam Cho đến khi thủy tinh dẻo ngả sang màu vàng đục, đó là lúc ta cần đưa nó trở về lò để nung nóng lại
Hình 8 Potter C đang thổi thủy tinh
Trang 22anhdo1999@outlook.com.vn 22
Charlotte Potter, giám đốc Bảo tàng nghệ thuật Chrysler, nhận xét rằng thổi thủy tinh thật sự là một hoạt động truyền cảm hứng và đòi hỏi nhiều sự khéo léo (Chrysler Museum of Art, 2012)
Trang 23anhdo1999@outlook.com.vn 23
Qua hàng ngàn năm, các nhà điêu khắc đã lợi dụng các tính chất của thủy tinh, cách nó được làm ra, cách nó phản chiếu ánh sáng; còn các nghệ nhân vận dụng thủy tinh vào trong những ứng dụng thực tiễn của cuộc sống vì độ bền, tính không thấm nước và tính trong suốt của nó Trong thế kỉ qua, các nhà khoa học đã có nhiều tiến bộ trong việc chế tạo ra các tính chất mới của thủy tinh, tạo bước đệm cho các phát minh đột phá trong nhiều lĩnh vực như kiến trúc, điện tử,
y học và thông tin liên lạc Một vài ứng dụng hiện đại của thủy tinh sẽ được trình bày ở chương 6
Trang 24anhdo1999@outlook.com.vn 24
4 §Æc ®iÓm cña mét sè lo¹i thñy tinh
Khi nhắc đến thủy tinh, người ta chắc thường nghĩ đến loại vật liệu trong suốt và dễ vỡ, thường dùng làm cửa sổ và kính mắt Tuy nhiên, thủy tinh dùng
để làm cửa sổ và kính mắt là hoai loại thủy tinh hoàn toàn khác nhau Thủy tinh dùng làm ly cốc khác với thủy tinh dùng làm kính áp tròng, thủy tinh dùng làm cửa sổ xe hơi khác với thủy tinh dùng làm màn hình máy tính, và thủy tinh dùng trong sợi cáp quang khác với thủy tinh dùng làm các dụng cụ thí nghiệm… Vậy chúng khác nhau như thế nào? Cái gì làm chúng khác nhau như vậy?
Bằng việc thay đổi thành phần và quá trình sản xuất, ta có thể khám phá những loại thủy tinh mới để giải quyết các vấn đề công nghệ kĩ thuật cao Dưới đây, ta sẽ khảo sát một số loại thủy tinh quan trọng và phổ biến trong cuộc sống con người:
Thủy tinh thường
Thủy tinh thường là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit, có thành phần được viết gần đung dưới dạng Na2O.CaO.6SiO2 (Lê Xuân Trọng, 2014) Thủy tinh thường giòn, cứng, dễ vỡ, trong suốt, không gỉ, không bị axit
ăn mòn (ngoại trừ HF21), không cháy, không hút ẩm Thủy tinh thường được dùng làm các vật dụng sau:
Gương phẳng:
Gương phẳng được sử dụng rộng rãi làm cửa sổ, làm gương soi, và trong một số đồ nội thất Hầu hết gương phẳng đều phẳng, chỉ trừ một số gương phẳng dùng làm kính chắn gió cho các xe ô tô thì không phẳng mà cong (Martin, 2001) Nếu tráng một lớp bạc lên một mặt của gương phẳng ta được một chiếc gương
21 Người ta không dùng đồ thủy tinh để đựng axit flohidric (HF) vì xảy ra phản ứng: 4HF + SiO 2 SìF 4 + 2H 2 O Người ta sử dụng HF để khắc thủy tinh