Ở nhiều khía cạnh, thủy tinh là vật liệu hấp dẫn đối với các công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, tính giòn vốn có khiến thủy tinh dễ bị nứt và vỡ nên hạn chế các ứng dụng tiềm năng. Nỗ lực nghiên cứu nhằm tăng đáng kể độ bền của thủy tinh, trong khi vẫn giữ được các đặc tính có lợi của nó, phần lớn đã không mang lại kết quả như mong đợi.

Phương pháp và quy trình mới

Phương pháp mới bắt đầu với thủy tinh oxit có cấu trúc bên trong khá lộn xộn và là vật liệu thủy tinh thương mại phổ biến nhất. Ví dụ, sử dụng aluminosilicate chứa silicon, nhôm, boron và oxy, nhóm nghiên cứu ở Đức và Trung Quốc hiện đã thành công trong việc chế tạo một cấu trúc mới. Để đạt được mục đích này, họ đã áp dụng các công nghệ đòi hỏi áp suất và nhiệt độ cao tại Viện nghiên cứu địa hóa học và địa vật lý thực nghiệm Bavaria (BGI) thuộc Đại học Bayreuth.

Trong điều kiện áp suất từ 10 đến 15 gigapascal và nhiệt độ khoảng 1.000oC, các nguyên tử silicon, nhôm, boron và oxy kết hợp với nhau tạo thành các cấu trúc giống tinh thể. Các cấu trúc này được gọi là “paracrystalline” vì chúng khác biệt lớn so với cấu trúc hoàn toàn không đều, nhưng lại không đạt được cấu trúc rõ ràng và đều đặn của tinh thể. Cả những phân tích thực nghiệm sử dụng kỹ thuật quang phổ và tính toán lý thuyết đều cho thấy rõ trạng thái trung gian này giữa cấu trúc tinh thể và tính bất quy tắc vô định hình.

Ý nghĩa của quá trình paracrystallization

Ngay cả sau khi giảm áp suất và nhiệt độ xuống trong điều kiện môi trường bình thường, các cấu trúc paracrystalline trong thủy tinh aluminosilicate vẫn tồn tại. Khả năng xuyên thấu của thủy tinh với các cấu trúc này dẫn đến độ bền của thủy tinh cao hơn rất nhiều lần so với trước khi quá trình paracrystallization diễn ra. Hiện tại, thủy tinh đạt giá trị lên tới 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/². Đây là độ bền chưa từng được đo đối với thủy tinh oxit. Đồng thời, độ trong suốt của thủy tinh không bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi cấu trúc paracrystalline.

Các nhà nghiên cứu giải thích độ bền đặc biệt của thủy tinh là do các lực tác động lên thủy tinh từ bên ngoài, thường dẫn đến vỡ hoặc nứt bên trong, giờ đây chủ yếu hướng vào các cấu trúc paracrystalline. Chúng hòa tan các cấu trúc này và biến chúng trở lại trạng thái ngẫu nhiên, vô định hình. Vì thế, thủy tinh có độ bền bên trong cao hơn, do đó, nó không bị vỡ hoặc nứt khi tiếp xúc với những lực này hoặc thậm chí với các lực mạnh hơn.

Triển vọng tương lai

Tiến sĩ Hu Tang, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho rằng: “Khám phá của chúng tôi làm nổi bật chiến lược hiệu quả để chế tạo các vật liệu thủy tinh chống hư hại cao mà chúng tôi dự định theo đuổi nghiên cứu trong những năm tới. Sự gia tăng độ bền do quá trình paracrystallization cho thấy những thay đổi về cấu trúc ở cấp độ nguyên tử có thể tác động lớn đến tính chất của thủy tinh oxit. Ở cấp độ này, việc tối ưu hóa thủy tinh như vật liệu còn lâu mới cạn kiệt có tiềm năng lớn”.