Tại sao thủy tinh trong suốt?

Hóa học

Chúng ta có thể nhìn qua hẩu hết các chất thể khí và thể lỏng như không khí, nước, rượu, xăng dầu… nhưng khó nhìn thấu qua những chất rắn như sắt, đồng, gỗ. Ấy vậy mà thuỷ tinh tuy cũng là chất rắn, nhưng lại trong suốt, có thể nhìn qua được.
Sở dĩ chúng ta nhìn được qua chất khí và chất lỏng vì các phân tử của chúng sắp xếp rất lỏng lẻo, sóng ánh sáng có thể dễ dàng lọt qua. Ngược lại, phân tử chất rắn liên kết với nhau theo trật tự dày đặc, như các viên gạch xếp xít lại với nhau thành các bức tường chắn ánh sáng.

Ở nhiệt độ cao, thuỷ tinh tan chảy thành chất lỏng. Khi đó, các phân tử sắp xếp rất ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào. Nhưng vì thuỷ tinh đông đặc rất nhanh, các phân tử vẫn giữ nguyên ở trạng thái hỗn loạn, nên khi đã ở thể rắn, ánh sáng vẫn dễ dàng lọt qua.

Cấu tạo vật lý thủy tinh

Trong vật lý học, các chất rắn vô định hình thông thường được sản xuất khi một chất lỏng đủ độ nhớt bị làm lạnh rất nhanh, vì thế không có đủ thời gian để các mắt lưới tinh thể thông thường có thể tạo thành.

Silicát là điôxít silic (SiO2) có trong dạng đa tinh thể như cát và cũng là thành phần hóa học của thạch anh. Silicát có điểm nóng chảy khoảng 2.000 °C (3.632 °F), vì thế có hai hợp chất thông thường hay được bổ sung vào cát trong công nghệ nấu thủy tinh nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy của nó xuống khoảng 1.000 °C. Một trong số đó là sô đa (cacbonat natri Na2CO3), hay bồ tạt (tức cacbonat kali K2CO3). Tuy nhiên, sô đa làm cho thủy tinh bị hòa tan trong nước – là điều người ta không mong muốn, vì thế người ta cho thêm vôi sống (ôxít canxi, CaO) là hợp chất bổ sung để phục hồi tính không hòa tan.

Trong dạng thuần khiết và ở điều kiện bình thường, thủy tinh là một chất trong suốt, tương đối cứng, khó mài mòn, rất trơ hóa học và không hoạt động xét về phương diện sinh học, có thể tạo thành với bề mặt rất nhẵn và trơn. Tuy nhiên, thủy tinh rất dễ gãy hay vỡ thành các mảnh nhọn và sắc dưới tác dụng của lực hay nhiệt một cách đột ngột. Tính chất này có thể giảm nhẹ hay thay đổi bằng cách thêm một số chất bổ sung vào thành phần khi nấu thủy tinh hay xử lý nhiệt.

Tính chất vật lý thủy tinh

Truyền sáng

Một trong những đặc trưng rõ nét nhất của thủy tinh thông thường là nó trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy, mặc dù không phải mọi vật liệu thủy tinh đều có tính chất như vậy do phụ thuộc vào tạp chất. Độ truyền sáng của thủy tinh trong vùng bức xạ điện từ bức xạ tử ngoại và tia hồng ngoại thay đổi tùy theo việc lựa chọn tạp chất.

  • Ánh sáng nhìn thấy: Tính trong suốt của thủy tinh trong ánh sáng nhìn thấy là do sự vắng mặt của trạng thái chuyển tiếp của các điện tử trong khoảng bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, và trạng thái này là thuần nhất trong mọi bước sóng hơn là chỉ trong khoảng bước sóng của ánh sáng nhìn thấy (sự không thuần nhất làm cho ánh sáng bị tán xạ, làm tán xạ hình ảnh được truyền qua). thủy tinh có thể thổi hoặc sản xuất qua nhà máy bằng phương pháp công nghiệp.
  • Tử ngoại: Thủy tinh thông thường không cho ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 400 nm, hay tử ngoại tia cực tím (UV) đi qua. Có điều này vì sự bổ sung của các hợp chất như tro sô đa(cacbonat natri). Thủy tinh thuần SiO2 (còn gọi là thủy tinh thạch anh) không hấp thụ tia UV và nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ trong suốt trong khoảng bước sóng này, mặc dù nó đắt hơn thủy tinh thường. Có thể pha thêm xeri|xêri vào thủy tinh để tăng việc hấp thụ tia cực tím (các bức xạ ion hóa nguy hiểm về mặt sinh học).
  • Hồng ngoại: Thủy tinh có thể sản xuất đến mức độ tinh khiết mà hàng trăm kilômét thủy tinh vẫn là trong suốt ở bước sóng tia hồng ngoại trong các sợi cáp quang. Một lượng lớn sắt được sử dụng trong thủy tinh có khả năng hấp thụ nhiệt, chẳng hạn như các tấm lọc hấp thụ nhiệt cho các máy chiếu phim.

Chiết suất

Chiết suất của thủy tinh có thể thay đổi tùy theo các dạng thành phần khi có các thành phần khác thêm. Thủy tinh có chứa chì, chẳng hạn như chì tinh thể hay thủy tinh đá lửa, là ‘rực rỡ’ hơn vì nó làm tăng chiết suất và sinh ra sự ‘lấp lánh’ có thể nhận thấy rõ hơn. Xem thêm pha lê. Việc bổ sung bari cũng làm tăng chiết suất. Ôxít thori làm cho thủy tinh có hệ số chiết suất rất cao và nó được sử dụng để sản xuất các lăng kính chất lượng cao.

Nhiệt độ nóng chảy

Như mọi chất rắn vô định hình, thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy nhất định. Natri nói chung được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh. Sự bổ sung sô đa hay bồ tạt đôi khi còn hạ nhiệt độ nóng chảy xuống thấp hơn.

Độ dẫn điện

Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của thủy tinh có thể thay đổi khi thêm bo, chẳng hạn như ở Pyrex.

Lịch sử ngành sản xuất thủy tinh

Thời kỳ sơ khai

  • Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được sử dụng từ thời đại đồ đá. Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các dung nham (magma) núi lửa. Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc.
  • Trong thế kỷ 1 trước công Nguyên kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và những thứ trước kia là hiếm và có giá trị đã trở thành bình thường. Trong thời kỳ đế quốc La Mã rất nhiều loại hình thủy tinh đã được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ. Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất nó.
  • Các đồ vật làm từ thủy tinh từ thế kỷ 7 và thế kỷ 8 đã được tìm thấy trên đảo Torcello gần Venice. Các loại hình này là liên kết quan trọng giữa thời La Mã và sự quan trọng sau này của thành phố đó trong việc sản xuất thủy tinh.
  • Khoảng năm 1000 sau Công nguyên, một đột phá quan trọng trong kỹ thuật đã được tạo ra ở Bắc Âu khi thủy tinh sô đa được thay thế bằng thủy tinh làm từ các nguyên liệu có sẵn hơn: bồ tạt thu được từ tro gỗ. Từ thời điểm này trở đi, thủy tinh ở khu vực phía bắc châu Âu có sự sai khác rõ nét với thủy tinh ở khu vực Địa Trung Hải, là khu vực mà sô đa vẫn được sử dụng chủ yếu.
  • Thế kỷ 11 được cho là nổi bật, tại Đức, phương pháp mới chế tạo thủy tinh tấm đã ra đời bằng các quả cầu để thổi, sau đó chuyển nó sang thành các hình trụ tạo hình, cắt chúng khi đang còn nóng và sau đó dát phẳng thành tấm. Kỹ thuật này đã được hoàn thiện vào thế kỷ 13 ở Vênidơ.
  • Cho đến thế kỷ 12 thủy tinh đốm (có nghĩa là thủy tinh với các vết màu (thông thường là kim loại) đã không được sử dụng rộng rãi nữa.
  • Trung tâm sản xuất thủy tinh từ thế kỷ 14 là Vênidơ, ở đó người ta đã phát triển nhiều công nghệ mới để sản xuất thủy tinh và trở thành trung tâm xuất khẩu có lãi các đồ đựng thức ăn, gương và nhiều đồ xa xỉ khác. Sau đó, một số thợ thủy tinh của Vênidơ đã chuyển sang các khu vực khác như Bắc Âu và việc sản xuất thủy tinh đã trở nên phổ biến hơn.

Sản xuất thủy tinh Crown

Công nghệ thủy tinh Crown đã được sử dụng cho đến giữa những năm 1800. Trong công nghệ này, ống thổi thủy tinh có thể xoay tròn khoảng 9 pound (khối lượng) (4 kg) thủy tinh lỏng tại phần cuối của ống cho đến khi nó được làm phẳng thành đĩa đường kính khoảng 5 ft (1,5 m). Đĩa sau đó được cắt thành tấm chữ nhật. Thủy tinh của người Vênidơ là cao giá giữa thế kỷ 10 và thế kỷ 14 bởi vì họ giữ được bí quyết. Khoảng năm 1688, công nghệ đúc thủy tinh đã được phát triển, dẫn tới việc sử dụng nó như một vật liệu thông dụng. Sự phát minh ra máy ép thủy tinh năm 1827 cho phép sản xuất hàng loạt các đồ vật từ thủy tinh rẻ tiền hơn.

Phương pháp ống xy lanh được phát kiến bởi William J. Blenko trong những năm đầu của thập niên 1900

Thủy tinh nghệ thuật đôi khi được tạo ra bằng phương pháp khắc axít hay bằng các chất ăn mòn khác (tạo ra hình cần thiết trên bề mặt thủy tinh). Thông thường nó đuyược tạo ra bởi các nghệ nhân sau khi thủy tinh được thổi hay đúc. Trong những năm 1920 phương pháp mới để khắc axít theo khuôn đã được phát kiến, theo đó các tác phẩm nghệ thuật được khắc trực tiếp trên khuôn, vì thế mỗi một lượt đúc đã tạo ra hình ảnh trên bề mặt thủy tinh. Điều này làm giảm chi phí sản xuất và kết hợp với việc sử dụng rộng rãi của các loại thủy tinh màu đã tạo ra các sản phẩm thủy tinh rẻ tiền trong những năm 1930, sau này được biết đến như là thủy tinh thời kỳ suy thoái.

(Theo: Wikipedia)