Tại sao thủy tinh trong suốt?

Làm thế nào thủy tinh có đặc tính trong suốt, có thể nhìn xuyên qua được?
Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra là hầu hết các chất lỏng và khí đều trong suốt như nước, dầu ăn, các loại khí…. Còn các chất rắn thì không có đặc tính này. Nguyên nhân là do sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc phân tử giữa các chất rắn, lỏng, khí. Khi một chất ở trạng thái rắn, các phân tử của nó được liên kết với nhau rất chặt chẽ khiến cho chúng có đặc tính cơ bản là cứng.

Khi chuyển sang thể lỏng, sức liên kết này giảm và các phân tử bắt đầu tự xếp thẳng hàng một cách ngẫu nhiên. Và ở các chất khí, các liên kết phân tử rất yếu. Mối liên kết giữa các phân tử với nhau gần như hoàn toàn hỗn độn, ngẫu nhiên. Và chính đặc tính này là lý do tại sao ánh sáng có thể truyền qua các lỗ hổng của chất lỏng và chất khí mà không truyền qua được “bức tường” của các phân tử chất rắn xếp ngay ngắn.

Do đó, tùy thuộc vào thể của mỗi chất mà khi ánh sáng chiếu vào sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, phân tán, hấp thụ hay kết hợp cả ba hiện tượng này. Các phân tử của chất đó càng sắp xếp ngẫu nhiên thì ánh sáng càng đi qua dễ dàng.

Do nắm được đặc điểm này nên quy trình tạo ra thủy tinh - một chất rắn nhưng lại trong suốt được thực hiện như sau:

Người ta thường dùng cát tức Silic điôxít (SiO2) để làm thủy tinh. Họ đun nóng cát đến một nhiệt độ cực cao cho đến khi nó nóng chảy rồi làm lạnh nhanh chóng. Nhiệt độ, thời gian làm nóng và làm mát phải được thực hiện trong một quy trình chính xác.

Trong quá trình đun nóng người ta cho vào đó những chất để làm cho cát nóng chảy nhanh hơn và những chất khiến cho thủy tinh không bị giòn và dễ vỡ, đồng thời quy trình này sẽ làm cho thủy tinh trở thành một chất vô định hình (không phải chất lỏng cũng không phải là chất rắn).

Tức là khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt. Do vậy nên mặc dù ở trạng thái rắn, thủy tinh vẫn giữ đặc tính là trong suốt như chất lỏng. Đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

Ngày nay, người ta có thể sử dụng rất nhiều chất khác nhau để tạo ra thủy tinh. Tùy thuộc vào loại chất và độ tinh khiết của mỗi chất làm ra thủy tinh mà lượng ánh sáng cũng như dạng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau.

Chính vì vậy, người ta có thể pha trộn vào quy trình làm thủy tinh những tạp chất khác nhau để thay đổi tính chất của chúng tùy vào mục đích sử dụng nhằm ngăn cản tia cực tím hay các phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy được như để làm kính râm, các loại cửa kính đục, trong mờ….

Đồng thời, người ta cũng có thể thay đổi các thuộc tính của thủy tinh như lọc ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, làm chậm quá trình làm mát đủ để cho phép các phân tử kết tinh không hoàn chỉnh khiến chúng có thể truyền ánh sáng hay khúc xạ ánh sáng theo các mục đích sử dụng khác nhau như làm tròng mắt kính, kính lúp…

Ngọc Vân (Theo HSW)