Vì sao ánh sáng có thể xuyên qua kính?

Cửa sổ bằng kính như ngày nay bắt đầu xuất hiện ở Anh từ thế kỷ 17, khi ngành sản xuất kính phát triển mạnh mẽ. Qua nhiều thế kỷ, công nghệ chế tạo ngày càng hiện đại, mang lại những tấm kính vừa bền chắc vừa trong suốt hoàn hảo. Hiện nay, nghiên cứu về kính vẫn tiếp tục, thậm chí còn mở ra các vật liệu mới như kính tự làm sạch hay kính có khả năng tự phục hồi.

Bí mật trong cấu trúc của thủy tinh

Ảnh: Getty.

Thủy tinh được tạo thành từ cát chứa tinh thể thạch anh, nung ở nhiệt độ hơn 3.000 độ F (khoảng 1.600 độ C) để làm tan chảy. Quá trình này khiến thạch anh mất đi cấu trúc tinh thể và khi được làm nguội nhanh chóng, nó trở thành một chất rắn vô định hình - tức là cấu trúc nguyên tử và phân tử không sắp xếp theo trật tự đều đặn. Chính đặc tính này khiến thủy tinh trong suốt, cho phép ánh sáng đi qua dễ dàng, tương tự như nước.

Trong các vật liệu như thủy tinh, electron cần mức năng lượng rất lớn để nhảy sang trạng thái khác. Các photon ánh sáng khả kiến không đủ mạnh để tạo ra bước nhảy này, nên ánh sáng không bị hấp thụ hay phản xạ mà xuyên qua tấm kính. Đây là lý do tại sao chúng ta có thể nhìn rõ ràng qua một tấm kính dày nhiều centimet.

Giáo sư Philp Moriarty tại Đại học Nottingham giải thích: "Kính là vật liệu vô định hình, đồng nhất ở cấp độ bước sóng ánh sáng nên ít khuyết tật. Trong khi đó, giấy được cấu tạo từ vô số sợi nhỏ có kích thước tương đương bước sóng ánh sáng. Chính cấu trúc này khiến ánh sáng bị tán xạ, tạo nên màu trắng mờ đục đặc trưng".

Quá trình sản xuất kính hiện đại

Sau khi nung chảy, cát được tạo hình và làm nguội nhanh để đạt độ cứng cần thiết. Để tối ưu sản xuất, người ta thường bổ sung natri cacbonat nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy, giúp tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, điều này làm kính kém bền hơn về mặt hóa học. Vì vậy, canxi cacbonat được thêm vào như chất ổn định, cải thiện độ bền và khả năng sử dụng lâu dài.

Nhờ những đổi mới liên tục này, con người có thể tận hưởng ánh sáng mặt trời qua cửa kính mà vẫn được bảo vệ khỏi gió mưa và tác động từ môi trường. Các nghiên cứu hiện nay thậm chí còn phát triển loại kính có thể tự phục hồi khi gặp nước, hứa hẹn mở ra nhiều ứng dụng trong tương lai.

Kính không chỉ là vật liệu quen thuộc của đời sống, mà còn là kết quả của hàng trăm năm tiến bộ khoa học, giúp chúng ta vừa kết nối với thế giới bên ngoài vừa duy trì sự an toàn và tiện nghi trong không gian sống.