Thủy tinh xưa nay bị liệt vào hàng ngũ khó phân loại, người ta thường xếp nó đâu đó giữa chất rắn và chất lỏng. Các phân tử của nó chuyển động lộn xộn ngẫu nhiên, tương tự như chất lỏng nhưng lại chuyển động chậm hơn nhiều, đến mức chúng hầu như rốt cuộc chẳng chuyển động, trong một trạng thái tương tự như chất rắn.
Nhiều nhà lí thuyết cho rằng thủy tinh phải bước vào một sự biến đổi pha tại một điểm nào đó giống như nước thay đổi trạng thái của nó từ nước lỏng thành băng rắn kết tinh.
Tiến sĩ Kostya Trachenko thuộc Khoa Vật lí trường Queen Mary, cùng với cộng sự của ông, giáo sư Vadim Brazhkin thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, vừa nêu ra một cái nhìn mới mẻ về vấn đề tranh luận trên và cho rằng thủy tinh là một chất lỏng không hề có sự biến đổi pha gì cả.
“Thật khó nghĩ thủy tinh là một chất lỏng khi mà nó biểu hiện mọi phẩm chất của một chất rắn – nó cứng và vụn nát khi bị vỡ”, tiến sĩ Trachenko nói.
“Tuy nhiên, trái với cái trước đây người ta nghĩ, chúng tôi đề xuất rằng thủy tinh không khác gì với một chất lỏng từ góc nhìn vật lí học, ở chỗ những khác biệt giữa thủy tinh và chất lỏng chỉ là định lượng chứ không định tính”.
Tiến sĩ Trachenko và giáo sư Brazhkin đã lí giải dữ liệu tích góp được theo một cách mới mẻ và không gây tranh cãi.
“Khi vật chất, dù là chất khí, chất lỏng hay chất rắn, biến đổi giữa những pha khác nhau của nó, các tính chất của nó thay đổi rõ nét. Một sự thay đổi quan trọng giống như vậy, sự nhảy vọt của nhiệt dung, cũng xảy ra trong sự biến đổi thủy tinh lỏng, đó là nguyên do các nhà vật lí nghĩ rằng có một loại biến đổi pha nào đó, giữa pha lỏng và pha thủy tinh.
“Tuy nhiên, không có bằng chứng nào ủng hộ cho sự tồn tại của một pha thủy tinh rạch ròi: chúng ta biết rằng thủy tinh và chất lỏng đó gần như giống hệt như về mặt cấu trúc. Chính vấn đề đơn giản nhưng gây tranh cãi này là tâm điểm của bài toán biến đổi pha thủy tinh.
“Cái chúng tôi đã chỉ ra là bạn không cần giả định một pha mới hay một sự biến đổi pha thuộc loại nào đó để giải thích sự nhảy vọt của nhiệt dung. Thay vậy, chỉ là thực tế chất lỏng ngừng chảy ở cấp độ thời gian thực nghiệm nhất thiết mang lại sự nhảy vọt của nhiệt dung cũng như sự thay đổi của những tính chất quan trọng khác như sự đàn hồi và sự giãn nở nhiệt. Thực chất đây là đề xuất mới mẻ và đơn giản của chúng tôi để đi giải bài toán ‘lớn tuổi’ này trong vật lí học.
“Nên lưu ý rằng thủy tinh ở những nhà thờ trung cổ, cũ kĩ có phần đáy dày hơn, và người ta từng đề xuất rằng đây là vì thủy tinh chảy theo thời gian. Sự lí giải này có lẽ không đúng khi nhìn từ quan điểm định lượng vì một vài thế kỉ thì không đủ thời gian cho thủy tinh chảy. Thật vậy, chúng tôi đã làm rõ trong bài báo của mình rằng để cho một lượng thủy tinh nào đó chảy, thời gian cần thiết sẽ lớn hơn tuổi của Vũ trụ. Tuy nhiên, quan điểm định lượng là đúng: nhìn từ quan điểm vật lí thì mọi chất thủy tinh đều chỉ là một chất lỏng chảy chậm”.
Tiến sĩ Trachenko ví von lí thuyết thủy tinh là một chất lỏng với lí thuyết hắc ín, những chất dạng nhựa cứng. Ông trích dẫn một thí nghiệm ở Australia trong đó hắc ín (trong trường hợp này là bitumen) được cho vào một cái phễu hồi năm 1927 để xem thật ra nó có nhỏ giọt hay không.
“Hắc ín, ở nhiệt độ phòng, giống với thủy tinh ở chỗ nó vụn nát khi bị đập vỡ bằng búa”, Trachenko nói.
“Thí nghiệm hắc ín, vẫn đang chạy, cho thấy nó thật sự nhỏ giọt sau chừng 10 năm hoặc tương đương. Lí thuyết của chúng tôi nói rằng nhiệt dung hắc ín và những tính chất khác sẽ thể hiện một sự thay đổi nếu bạn so sánh số liệu nhiệt độ cao và nhiệt độ phòng chỉ trong một khoảng thời gian ngắn (thí dụ vài giờ đồng hồ), trong đó hắc ín nhiệt độ phòng không chảy.
“Mặt khác, nếu bạn tiến hành những phép đo giống như vậy theo thời gian vượt quá 10 năm, thì nhiệt dung của hệ và những tính chất khác sẽ không thay đổi vì hắc ín “dạng rắn” biểu kiến ở nhiệt độ phòng trở thành một chất lỏng chảy.
“Tự nhiên thường khá tiết kiệm với những định luật của nó. Việc làm sáng tỏ sự tiết kiệm này và sự đơn giản sâu xa phía sau nó là nhiệm vụ tối hậu của nhà vật lí. Công việc này có thể thật khó, nhưng chúng tôi đã hết sức hào hứng trước việc đi tới tận cùng của bài toán này. Khi chúng tôi nhận ra thủy tinh hoạt động như thế nào, chúng tôi đã khá sửng sốt trước sự đơn giản của nó”.
Tiến sĩ Trachenko hào hứng rằng lí thuyết mới trên có thể dùng để giải thích những hệ động lực khác không chịu sự biến đổi pha biểu kiến nào nhưng thể hiện những sự thay đổi tính chất rõ nét một khi chúng ngừng chảy ở thang thời gian thực nghiệm.
Tiến sĩ Trachenko và giáo sư Brazhkin đã công bố kết quả của họ trên tạp chí danh giá Physical Review, hồi đầu năm nay.
Nguồn: PhysOrg.com, Đại học London
