Language
Country/Area
No result found
Sự chuyển đổi thủy tinh kỳ diệu: Bạn có biết nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh là bao nhiêu không?
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta tiếp xúc với nhiều loại vật liệu thủy tinh khác nhau nhưng ít ai nghĩ tới tính khoa học đằng sau những vật liệu này. Thủy tinh là một chất đặc biệt có những đặc tính biến đổi độc đáo, đặc biệt khi nó chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Hiện tượng này được gọi là chuyển thủy tinh hay chuyển thủy tinh và là một quá trình diễn ra từ từ và có thể đảo ngược xảy ra ở các vật liệu vô định hình từ trạng thái “thủy tinh” cứng và giòn sang trạng thái nhớt khi nhiệt độ tăng lên.
Quá trình biến đổi của thủy tinh là một hiện tượng bí ẩn vì ngay cả ở nhiệt độ lên tới 500 K, quá trình biến đổi này không gây ra những thay đổi đáng kể về cấu trúc vật liệu.
Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh Tg là một thông số quan trọng mô tả phạm vi nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này. Nhiệt độ này luôn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy Tm của trạng thái kết tinh vì thủy tinh về cơ bản là trạng thái năng lượng cao hơn. Nhiều loại nhựa cứng, chẳng hạn như polystyrene và polymethyl methacrylate, thường có Tg khoảng 100 °C. Điều này có nghĩa là chúng vẫn ở dạng rắn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ này và trở nên mềm hơn, dẻo hơn ở nhiệt độ này.
Ứng dụng của chất đàn hồi cao su như polyisoprene và polyisobutylene hoàn toàn ngược lại. Những vật liệu này được sử dụng ở trạng thái cao hơn Tg, khi đó chúng có vẻ mềm và dẻo. Cấu trúc liên kết ngang như vậy ngăn chặn dòng phân tử tự do, do đó cao su có thể duy trì hình dạng cố định ở nhiệt độ phòng.
Mặc dù các tính chất vật lý của thủy tinh thay đổi, quá trình chuyển đổi thủy tinh không được coi là sự thay đổi pha mà là một hiện tượng động học phụ thuộc vào lịch sử nhiệt.
Trong nhiều vật liệu, khi quá trình đóng băng thông thường được thay thế bằng quá trình làm lạnh nhanh, quá trình chuyển pha tinh thể sẽ tránh được và trạng thái thủy tinh được hình thành trực tiếp. Những vật liệu như vậy có khả năng tạo thủy tinh, khả năng duy trì trạng thái vô định hình khi được làm lạnh nhanh. Tính chất này liên quan đến thành phần của vật liệu và có thể dự đoán được bằng lý thuyết độ cứng. Câu hỏi tiếp theo là liệu cấu trúc của một vật liệu ở trạng thái thủy tinh có thể giãn ra thêm theo thời gian hay không?
Thủy tinh thay đổi cấu trúc một cách chậm rãi trong phạm vi biến đổi của nó. Ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn, cấu hình của kính sẽ tương đối ổn định, trong khi cấu trúc của nhiều vật liệu sẽ có xu hướng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt sau một lượng nhiệt hoặc làm mát nhất định. Quá trình này thể hiện nguyên tắc cơ bản về giảm thiểu năng lượng tự do Gibbs và cung cấp động lực cho phép cấu trúc của kính thay đổi theo thời gian.
Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng thủy tinh có trạng thái khóa động, trong đó entropy và mật độ của nó phụ thuộc vào lịch sử nhiệt của nó và trạng thái này sẽ không đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.
Khi nói đến quá trình chuyển đổi thủy tinh, cũng có nghịch lý Schrödinger, đó là khi chất lỏng bị siêu lạnh, độ chênh lệch entropy giữa pha lỏng và pha rắn giảm và có thể suy ra nhiệt độ khi chênh lệch entropy bằng 0 Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ Kauzmann. Điều này dẫn đến ý tưởng rằng chất lỏng có thể tự kết tinh trước khi đạt đến nhiệt độ này. Vô số giả thuyết tìm cách giải thích nghịch lý Kauzmann đưa ra những quan điểm khác nhau về bản chất của quá trình chuyển đổi thủy tinh.
Từ nghiên cứu gần đây hơn, định nghĩa về nhiệt độ chuyển thủy tinh không đồng nhất và bị ảnh hưởng bởi các tiêu chuẩn khác nhau. Kết quả có thể tạo ra các giá trị khác nhau trong các trường hợp khác nhau. Tuy nhiên, khi thực hiện các phép đo này, tốc độ làm mát hoặc sưởi ấm có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá trị Tg đo được. Khám phá hiện tượng chuyển tiếp kính trong nhà khiến chúng ta tự hỏi, liệu có cách nào khéo léo hơn để hiểu nguyên nhân sâu xa của hiện tượng này?
