Các nhà vật lý tại Mỹ mới đây đã tạo ra một mô phỏng mới, lần đầu tiên chứng minh rằng trạng thái vật chất “thủy tinh lý tưởng” có thể thực sự tồn tại, góp phần giải quyết một nghịch lý kéo dài hàng thập kỷ.
Ở góc nhìn khoa học, loại thủy tinh dùng trong đời sống hằng ngày có nhiều điểm giống chất lỏng hơn là tinh thể. Các phân tử của nó xáo trộn tương tự cấu trúc của chất lỏng, khác với sự trật tự rõ ràng của các tinh thể như băng.
Tuy nhiên, khái niệm “thủy tinh lý tưởng” lại mô tả một trạng thái hoàn toàn khác. Dù vẫn có cấu trúc vô định hình như thủy tinh thông thường, vật liệu này sẽ đạt mức entropy (đại lượng thước đo cho sự ngẫu nhiên của các phân tử) tối thiểu, nghĩa là các phân tử không còn khả năng tái sắp xếp theo bất kỳ cấu trúc nào khác.
Ý tưởng về trạng thái vật chất đặc biệt này lần đầu được đưa ra năm 1948 bởi nhà hóa học Walter Kauzmann. Ông cho rằng khi chất lỏng nguội dần và chuyển sang trạng thái thủy tinh, entropy của hệ sẽ giảm xuống. Về lý thuyết, nếu nhiệt độ giảm đủ thấp, entropy có thể tiến tới bằng không. Khi đó, vật liệu vẫn có vẻ ngẫu nhiên nhưng thực chất đã bị “khóa” vào một cấu trúc duy nhất tạo nên trạng thái thủy tinh lý tưởng.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học tranh luận liệu trạng thái tưởng chừng nghịch lý này có thể tồn tại hay không.
Trong nghiên cứu mới, nhà vật lý Viola Bolton-Lum cùng các cộng sự tại University of Oregon đã sử dụng mô hình máy tính để chứng minh rằng thủy tinh lý tưởng có thể hình thành trong không gian hai chiều. Mô phỏng cho thấy một hệ hạt có cấu trúc vô định hình nhưng vẫn đạt mức trật tự và đồng nhất rất cao, khiến vật liệu hành xử gần giống như một tinh thể hoàn hảo.
Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp này không chỉ giúp giải quyết một bí ẩn lâu đời mà còn mở ra cách tiếp cận mới để tạo ra các hệ thủy tinh ổn định hơn. Theo nhóm, việc xây dựng một cấu trúc nén lý tưởng cho phép các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về các hệ vật chất nén chặt và thủy tinh hai chiều.
Tuy vậy, các phương pháp làm lạnh thông thường không thể tạo ra trạng thái này. Về lý thuyết, quá trình đó sẽ cần thời gian vô hạn. Để vượt qua rào cản này, các nhà khoa học đã đưa vào mô hình một dạng “mã gian lận”, cho phép các hạt thay đổi kích thước khi bị nén.
Sự linh hoạt bổ sung này tạo nên khác biệt lớn. Hệ vật liệu thu được trông vẫn vô định hình nhưng lại có nhiều đặc tính của tinh thể: cứng hơn, ổn định hơn và mỗi hạt trung bình tiếp xúc với sáu hạt lân cận, tạo nên cấu trúc nâng đỡ vững chắc.
Theo nhà vật lý Eric Corwin tại Đại học Oregon, kết quả cho thấy trạng thái này không phải là nghịch lý như từng nghĩ. “Chúng tôi tin rằng mình đã tìm ra lời giải, bằng cách chứng minh trạng thái này hoàn toàn khả thi. Trên thực tế, chúng ta có thể xây dựng nó”, ông nói.
Sự sắp xếp các hạt trong thủy tinh lý tưởng (bên trái) so với thủy tinh thông thường (bên phải).
Một điểm khác biệt đáng chú ý là cách vật liệu phản ứng khi bị tác động. Thủy tinh thông thường tạo ra các rung động hỗn loạn, trong khi thủy tinh lý tưởng sẽ dao động đồng nhất tương tự như cách một tinh thể như kim cương phản ứng với lực.
Ngoài ra, vật liệu này còn có đặc tính gọi là siêu đồng nhất (hyperuniformity). Ở quy mô nhỏ, các hạt được phân bố cực kỳ đều đặn, không có vùng tụ tập hay khoảng trống lớn; mỗi hạt chiếm đúng phần không gian cần thiết.
Dù vậy, nghiên cứu hiện vẫn mang tính lý thuyết. Cho đến nay, chưa có phòng thí nghiệm nào tạo ra được thủy tinh lý tưởng ngoài mô phỏng máy tính. Các nhà khoa học thừa nhận rằng những quy trình nung nóng hay làm lạnh truyền thống sẽ không đủ để tạo ra loại vật liệu này; những phương pháp hoàn toàn mới cần được phát triển.
Dẫu còn nhiều thách thức, công trình mới cho thấy thủy tinh lý tưởng không phải điều bất khả thi. Với các đặc tính cơ học và cấu trúc đặc biệt, vật liệu này có thể mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong khoa học vật liệu, dù hiện vẫn còn quá sớm để xác định cụ thể.
Các nhà nghiên cứu cho rằng bước tiếp theo là tìm cách chuyển “thuật toán mô phỏng” vốn đóng vai trò như một “mã gian lận” thành quy trình vật lý có thể thực hiện trong thực tế. Nếu làm được điều đó, thủy tinh lý tưởng có thể trở thành một loại vật liệu hoàn toàn mới trong tương lai.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Physical Review Letters.
Minh Nguyễn